Praktična primerjava tokovnih transformatorjev za merjenje in zaščito

Natančnost zaščite CTNatančnost zaščitnega tokovnega transformatorja ni povezana s preciznim obračunavanjem, temveč s predvidljivim delovanjem med okvaro. Njegova natančnost je opredeljena s "sestavljeno napako" pri določenem večkratniku nazivnega toka. Pogost razred zaščite je5P10.Ta oznaka se razčleni na naslednji način:

• 5Sestavljena napaka pri meji natančnosti ne bo presegla 5 %.
• PTa črka ga označuje kot zaščitni razred CT.
• 10To je faktor meje natančnosti (ALF). Pomeni, da bo tokovni transformator ohranil svojo določeno natančnost do 10-kratnika nazivnega primarnega toka.

Skratka, 5P10 CT zagotavlja, da je signal, poslan na rele, še vedno znotraj 5 % idealne vrednosti, ko je primarni tok 10-kratnik normalne vrednosti, kar zagotavlja, da rele sprejme pravilno odločitev o izklopu.

Obremenitev in ocena VA

Bremeje skupna električna obremenitev, priključena na sekundarne sponke tokovnega transformatorja, merjena v volt-amperih (VA) ali ohmih (Ω). Vsaka naprava in žica, priključena na tokovni transformator, prispeva k tej obremenitvi. Preseganje nazivne obremenitve tokovnega transformatorja bo zmanjšalo njegovo natančnost.

Skupno breme jevsota impedanc vseh komponentv sekundarnem tokokrogu:

• Upornost sekundarnega navitja tokovnega transformatorja.
• Upornost priključnih žic, ki povezujejo CT z napravo.
• Notranja impedanca priključene naprave (merilnika ali releja).

Izračun skupne obremenitve:Inženir lahko izračuna skupno obremenitev po formuli:Skupna obremenitev (Ω) = CT navitje R (Ω) + žica R (Ω) + naprava Z (Ω)Na primer, če je upor sekundarnega navitja tokokroga 0,08 Ω, priključne žice imajo upor 0,3 Ω in ima rele impedanco 0,02 Ω, je skupna obremenitev tokokroga 0,4 Ω. Ta vrednost mora biti manjša od nazivne obremenitve tokokroga, da ta pravilno deluje.

Merilni tokovni transformatorji imajo običajno nizke nazivne vrednosti VA (npr. 2,5 VA, 5 VA), ker se na kratkih razdaljah priključujejo na merilne naprave z visoko impedanco in nizko porabo. Zaščitni tokovni transformatorji zahtevajo veliko višje nazivne vrednosti VA (npr. 15 VA, 30 VA), ker morajo zagotavljati dovolj moči za delovanje tuljav zaščitnega releja z nižjo impedanco in višjo porabo, pogosto na veliko daljših kabelskih progah. Nepravilno ujemanje nazivne obremenitve tokovnega transformatorja z dejansko obremenitvijo vezja je pogost vir napak tako v merilnih kot zaščitnih shemah.

Razumevanje napetosti kolenske točke

Napetost prelomne točke (KPV) je ključni parameter, ki je značilen izključno za zaščitne tokovne transformatorje. Določa zgornjo mejo uporabnega delovnega območja tokovnega transformatorja, preden se njegovo jedro začne nasičevati. Ta vrednost je bistvena za zagotovitev, da zaščitni rele med visokotokovno napako prejme zanesljiv signal.

Inženirji določijo KPV iz vzbujevalne krivulje tokovnega transformatorja (CT), ki prikazuje sekundarno vzbujevalno napetost glede na sekundarni vzbujevalni tok. "Koleno" je točka na tej krivulji, kjer se magnetne lastnosti jedra dramatično spremenijo.

TheStandard IEEE C57.13zagotavlja natančno definicijo te točke. Pri CT-ju brez reže je prelomna točka tam, kjer tangenta krivulje tvori kot 45 stopinj z vodoravno osjo. Pri CT-ju z režo je ta kot 30 stopinj. Ta specifična točka označuje začetek nasičenosti.

Ko tokovni transformator deluje pod napetostjo prelomne točke, je njegovo jedro v linearnem magnetnem stanju. To mu omogoča natančno reprodukcijo toka okvare za priključeni rele. Ko pa sekundarna napetost preseže KPV, jedro vstopi v nasičenost. Nasičenost, ki jo pogosto povzročajo veliki izmenični tokovi in ​​enosmerni odmiki med okvaro, povzroči, da tokovni transformator ...magnetizacijska impedanca znatno padeTransformator ne more več natančno odražati primarnega toka na sekundarno stran.

Razmerje med KPV in zanesljivostjo zaščite je neposredno in ključno:

• Pod točko kolena:Jedro CT deluje linearno. Zaščitnemu releju zagotavlja natančno predstavitev toka okvare.
• Nad točko kolena:Jedro se nasiči. To vodi do velikega povečanja magnetizacijskega toka in nelinearnega delovanja, kar pomeni, da tokovni transformator ne odraža več natančno dejanskega toka okvare.
• Delovanje releja:Zaščitni releji za pravilno delovanje potrebujejo natančen signal. Če se tokovni transformator nasiči, preden se rele lahko odloči, morda ne bo zaznal dejanske velikosti napake, kar bo povzročilo zakasnjeno izklop ali popolno odpoved delovanja.
• Varnost sistema:Zato mora biti napetost v prelomni točki tokovnega transformatorja dovolj višja od največje sekundarne napetosti, ki jo je mogoče pričakovati med okvaro. To zagotavlja, da rele prejme zanesljiv signal za zaščito drage opreme.

Inženirji izračunajo zahtevano KPV, da zagotovijo, da CT ostane nenasičen tudi v najslabših pogojih okvare. Poenostavljena formula za ta izračun je:

Zahtevani KPV ≥ Če × (Rct + Rb)

Kje:

• If= Največji sekundarni tok okvare (Amperi)
• Rct= upornost sekundarnega navitja CT (ohmi)
• Rb= Skupna obremenitev releja, ožičenja in priključkov (Ohmi)

Konec koncev je napetost prelomne točke glavni pokazatelj sposobnosti zaščitnega tokovnega transformatorja, da opravlja svojo varnostno funkcijo pod ekstremnimi električnimi obremenitvami.

Dešifriranje oznak na imenski ploščici tokovnega transformatorja

Napisna ploščica tokovnega transformatorja vsebuje kompaktno kodo, ki določa njegove zmogljivosti. Ta alfanumerična oznaka je okrajšava za inženirje, ki določa natančnost, uporabo in obratovalne omejitve komponente. Razumevanje teh kod je bistveno za izbiro pravilne naprave.

Interpretacija meritev razredov CT (npr. 0,2, 0,5S, 1)

Razredi merilnih transformatorjev toka so opredeljeni s številom, ki predstavlja največji dovoljeni odstotek napake pri nazivnem toku. Manjše število pomeni višjo stopnjo natančnosti.

• 1. razred:Primerno za splošno merjenje na plošči, kjer visoka natančnost ni ključnega pomena.
• Razred 0,5:Uporablja se za komercialne in industrijske aplikacije za obračunavanje.
• Razred 0.2:Potrebno za visoko natančno merjenje prihodkov.

Nekateri razredi vključujejo črko »S«. Oznaka »S« v razredih merilnih tokovnih transformatorjev IEC, kot sta 0,2S in 0,5S, pomeni visoko natančnost. Ta posebna klasifikacija se običajno uporablja v tarifnih merilnih aplikacijah, kjer so natančne meritve ključnega pomena, zlasti na spodnjem koncu tokovnega območja.

Razlaga razredov zaščite CT (npr. 5P10, 10P20)

Zaščitni razredi CT uporabljajo tridelno kodo, ki opisuje njihovo delovanje med napako. Pogost primer je5P10.

Razčlenitev kode 5P10:

• 5: Ta prva številka predstavlja največjo sestavljeno napako v odstotkih (5 %) pri meji natančnosti.
• PČrka »P« v klasifikaciji, kot je 5P10, pomeni »razred zaščite«. To pomeni, da je tokovni transformator zasnovan predvsem za uporabo v zaščitnih relejih in ne za natančne meritve.
• 10: Zadnja številka je faktor meje natančnosti (ALF). To pomeni, da bo CT ohranil svojo določeno natančnost do toka kratkega stika, ki je 10-kratnik njegove nazivne vrednosti.

Podobno, a10P20Razred CT ima sestavljeno mejo napake 10 % in faktor meje natančnosti20V oznaki, kot je 10P20, številka '20' označuje faktor mejne natančnosti. Ta faktor pomeni, da bo napaka transformatorja ostala znotraj sprejemljivih meja, ko bo tok 20-krat večji od nazivne vrednosti. Ta zmogljivost je ključnega pomena za zagotovitev pravilnega delovanja zaščitnih relejev v hudih pogojih kratkega stika.

Vodnik za uporabo: Ujemanje CT-ja z nalogo

Izbira ustreznega tokovnega transformatorja ni stvar preferenc, temveč zahteva, ki jo narekuje uporaba. Merilni tokovni transformator zagotavlja natančnost, potrebno za finančne transakcije, medtem ko zaščitni tokovni transformator zagotavlja zanesljivost, potrebno za varnost sredstev. Razumevanje, kje uporabiti posamezno vrsto, je bistveno za zanesljivo načrtovanje in delovanje električnega sistema.

Kdaj uporabiti merilni CT

Inženirji bi morali uporabljati merilni tokovni transformator v vsaki aplikaciji, kjer je glavni cilj natančno sledenje porabe električne energije. Te naprave so temelj natančnega obračunavanja in upravljanja z energijo. Njihova zasnova daje prednost visoki natančnosti pri normalnih obremenitvah.

Ključne aplikacije za merilne CT-je vključujejo:

• Merjenje prihodkov in tarifKomunalna podjetja uporabljajo visoko natančne tokovne transformatorje (npr. razreda 0,2S, 0,5S) za obračunavanje stanovanjskih, poslovnih in industrijskih odjemalcev. Natančnost zagotavlja poštene in pravilne finančne transakcije.
• Sistemi za upravljanje z energijo (EMS): Objekti uporabljajo te CT-je za spremljanje porabe energije v različnih oddelkih ali kosih opreme. Ti podatki pomagajo prepoznati neučinkovitosti in optimizirati porabo energije.
• Analiza kakovosti električne energijeAnalizatorji kakovosti električne energije zahtevajo natančne vhodne podatke za diagnosticiranje težav, kot so harmoniki in padci napetosti. Za te meritve, zlasti v srednjenapetostnih sistemih, je frekvenčni odziv merilnega transformatorja ključnega pomena. Sodobni analizatorji lahko potrebujejo zanesljive podatke.do 9 kHz, ki zahtevajo frekvenčno optimizirane transformatorje za zajem celotnega harmonskega spektra.

Opomba o izbiri:Pri izbiri tokovnega transformatorja za merilnik moči ali analizator je ključnih več dejavnikov.

• Združljivost izhodovIzhod tokovnega transformatorja (npr. 333 mV, 5 A) se mora ujemati z vhodnimi zahtevami merilnika.
• Velikost obremenitve: Za ohranjanje natančnosti se mora amperni razpon toka ujemati s pričakovano obremenitvijo.
• Fizična pripravljenostCT se mora fizično prilegati vodniku. Fleksibilne Rogowskijeve tuljave so praktična rešitev za velike zbiralke ali tesne prostore.
• NatančnostZa obračunavanje je standardna natančnost 0,5 % ali več. Za splošno spremljanje je lahko zadosten 1 %.

Kdaj uporabiti zaščitni CT

Inženirji morajo uporabljati zaščitni tokovni transformator (CT) povsod, kjer je glavni cilj zaščita osebja in opreme pred preobremenitvami in napakami. Ti tokovni transformatorji so zasnovani tako, da ostanejo delujoči med ekstremnimi električnimi dogodki in zagotavljajo zanesljiv signal zaščitnemu releju.

Pogoste aplikacije za zaščitne CT-je vključujejo:

• Zaščita pred preobremenitvijo in zemeljskim stikomTi tokovni transformatorji dovajajo signale relejem (kot je ANSI Device 50/51), ki zaznajo fazne ali ozemljitvene napake. Rele nato sproži odklopnik, da izolira napako. V srednjenapetostnih stikalnih napravah se z uporabo namenskegaCT z ničelnim zaporedjemza zaščito pred zemeljskim stikom se pogosto priporoča namesto preostale povezavetrifazni tokovni transformatorjiPreostala povezava lahko povzroči lažne izklope zaradi neenakomerne nasičenosti med zagonom motorja ali faznih napak.
• Diferencialna zaščitaTa shema ščiti večja sredstva, kot so transformatorji in generatorji, s primerjavo tokov, ki vstopajo in izstopajo iz zaščitenega območja. Zahteva usklajene sklope zaščitnih tokovnih transformatorjev.Sodobni digitalni relejilahko kompenzira različne povezave tokovnega transformatorja (Wye ali Delta) in fazne premike z nastavitvami programske opreme, kar ponuja veliko prilagodljivost v teh kompleksnih shemah.
• Zaščita na daljavoTa shema, ki se uporablja v daljnovodih, se za merjenje impedance do okvare opira na zaščitne tokovne transformatorje. Nasičenost tokovnega transformatorja lahko popači to meritev, zaradi česar rele napačno oceni lokacijo okvare. Zato mora biti tokovni transformator zasnovan tako, da se med meritvijo izogne ​​nasičenosti.

V skladu z ANSI C57.13 mora standardni zaščitni CT prenesti do20-kratnjegov nazivni tok med napako. To zagotavlja, da lahko releju odda uporaben signal, ko je to najpomembnejše.

Visoki stroški napačne izbire

Uporaba napačne vrste tokovnega transformatorja (CT) je kritična napaka z resnimi posledicami. Funkcionalne razlike med merilnimi in zaščitnimi CT-ji niso zamenljive, neusklajenost pa lahko povzroči nevarne in drage izide.

• Uporaba merilnega CT-ja za zaščitoTo je najnevarnejša napaka. Merilni tokovni transformator je zasnovan tako, da se pri nizkih preobremenitvah nasiči, da zaščiti merilnik. Med večjo napako se bo nasičil skoraj v trenutku. Nasičeni tokovni transformator ne bo mogel reproducirati visokega toka okvare in zaščitni rele ne bo zaznal dejanske velikosti dogodka. To lahko povzroči zakasnjeno izklop ali popolno odpoved delovanja, kar povzroči katastrofalno škodo na opremi, požar in tveganje za osebje. Na primer, nasičenost tokovnega transformatorja lahko povzroči, da se diferencialni zaščitni rele transformatorja ...slabo deluje, kar vodi do neželenega izklopa med zunanjo napako.
• Uporaba zaščitnega tokovnega transformatorja za meritve: Ta izbira vodi do finančne netočnosti. Zaščitni tokovni transformator ni zasnovan za natančnost pri normalnih obratovalnih tokovih. Njegov razred točnosti (npr. 5P10) zagotavlja delovanje pri visokih večkratnikih njegove nazivne vrednosti, ne pa na spodnjem koncu lestvice, kjer deluje večina sistemov. Uporaba za obračunavanje bi bila kot merjenje zrna peska z merilom. Nastali računi za energijo bi bili netočni, kar bi povzročilo izgubo prihodka za komunalno podjetje ali previsoko zaračunavanje za potrošnika.

Scenarij kritične napake:V shemah distančne zaščite nasičenost tokovnega transformatorja povzroči, da rele merivišja impedancakot dejanska vrednost. To dejansko skrajša zaščitni doseg releja. Napaka, ki bi jo bilo treba takoj odpraviti, se lahko zazna kot bolj oddaljena napaka, kar povzroči zapoznelo izklop. Ta zamuda podaljša obremenitev električnega sistema in poveča možnost obsežne škode.

Navsezadnje stroški napačne izbire tokovnega transformatorja daleč presegajo ceno same komponente. Kažejo se v uničenju opreme, izpadih delovanja, netočnih finančnih evidencah in ogroženi varnosti.

Ali lahko en sam CT služi tako za meritev kot za zaščito?

Čeprav imajo merilni in zaščitni tokovni transformatorji različne zasnove, inženirji včasih potrebujejo eno samo napravo za opravljanje obeh funkcij. Ta potreba je privedla do razvoja specializiranih transformatorjev z dvojnim namenom, vendar imajo ti določene kompromise.

Dvonamenski (razred X) CT

Posebna kategorija, znana kotTokovni transformator razreda X ali razreda PS, lahko služijo tako merilni kot zaščitni vlogi. Te naprave niso opredeljene s standardnimi razredi točnosti, kot je 5P10. Namesto tega je njihova zmogljivost določena z nizom ključnih parametrov, ki jih inženir uporabi za preverjanje njihove primernosti za določeno zaščitno shemo.

V skladu s standardi IEC, delovanje CT-ja razreda X je opredeljeno z:

• Nazivni primarni tok
• Razmerje vrtljajev
• Napetost kolenske točke (KPV)
• Magnetizacijski tok pri določeni napetosti
• Upor sekundarnega navitja pri 75 °C

Zaradi teh lastnosti naprava ponuja visoko natančnost merjenja v normalnih pogojih, hkrati pa zagotavlja predvidljivo napetost prelomne točke za zanesljivo delovanje releja med okvarami. Pogosto se uporabljajo v shemah diferencialne zaščite z visoko impedanco, kjer je treba natančno poznati delovanje.

Praktične omejitve in kompromisi

Kljub obstoju tokovnih transformatorjev razreda X se pogosto izogibamo uporabi ene same naprave za merjenje in zaščito. Ti dve funkciji imata v osnovi nasprotujoče si zahteve.

Merilni tokovni transformator je zasnovan tako, da se zgodaj nasiči in tako zaščiti občutljive merilnike.zaščitni CT je zasnovanda se upre nasičenosti, da se zagotovi, da rele lahko zazna napako. Dvonamenski tokovni transformator mora doseči kompromis med tema dvema nasprotujočima si ciljema.

Zaradi tega kompromisa dvojni namenski tokovni transformator morda ne bo opravljal nobene od teh nalog tako dobro kot namenska enota. Zasnova postane bolj zapletena in dražja. Za večino aplikacij je namestitev dveh ločenih, specializiranih tokovnih transformatorjev – enega za merjenje in enega za zaščito – zanesljivejša in stroškovno učinkovitejša rešitev. Ta pristop zagotavlja, da oba ...sistem obračunavanjain varnostni sistem deluje brez kompromisov.

---

Izbira medmerilni in zaščitni tokovni transformatorjije jasna odločitev, ki temelji na operativni prioriteti. Ena zagotavlja natančnost obračunavanja, druga pa zanesljivost v primeru okvare. Izbira pravilnega tipa je neizogibna za varnost sistema, finančno natančnost in dolgo življenjsko dobo opreme. Inženirji morajo vedno primerjati specifikacije tokovnega transformatorja s potrebami priključene naprave.

Akontrolni seznam za končno preverjanjevključuje:

1. Določite primarni tokPrestavno razmerje tokovnega transformatorja prilagodite največji obremenitvi.
2. Izračunaj obremenitevSeštejte obremenitev vseh priključenih komponent.
3. Preverite razred točnostiIzberite pravilen razred za merjenje ali zaščito.

Pogosta vprašanja

Kaj se zgodi, če sekundarni tokokrog tokokroga CT ostane odprt?

Odprt sekundarni tokokrog ustvari nevarno visoko napetost. Primarni tok postane magnetizacijski tok, ki nasiči jedro. To stanje lahko uniči tokovni transformator in predstavlja resno tveganje za električni udar.

Varnost na prvem mestu:Preden odklopite katero koli napravo iz tokokroga, vedno kratko sklenite sekundarne priključke.

Kako inženirji izberejo pravilno razmerje CT?

Inženirji izberejo razmerje, pri katerem je normalni maksimalni tok sistema blizu primarne nazivne vrednosti tokovnega transformatorja. Ta izbira zagotavlja, da tokovni transformator deluje znotraj svojega najbolj natančnega območja. Na primer, obremenitev 90 A dobro deluje s tokovnim transformatorjem 100:5 A.

Zakaj merilni CT ni varen za zaščito?

Merilni tokovni transformator se med okvaro hitro nasiči. Zaščitnemu releju ne more sporočiti dejanskega toka okvare. Rele nato ne izklopi odklopnika, kar povzroči uničenje opreme in resne varnostne nevarnosti.

Ali lahko en tokovni transformator služi tako merjenju kot zaščiti?

Posebni tokovni transformatorji razreda X lahko opravljajo obe vlogi, vendar je njihova zasnova kompromis. Za optimalno varnost in natančnost inženirji običajno namestijo dva ločena, namenska tokovna transformatorja – enega za merjenje in enega za zaščito.