En praktisk jämförelse av strömtransformatorer för mätning kontra skydd

Skydds-CT-noggrannhetNoggrannhet i skydds-CT handlar inte om precisionsfakturering utan om förutsägbar prestanda under ett fel. Dess noggrannhet definieras av ett "sammansatt fel" vid en specificerad multipel av dess märkström. En vanlig skyddsklass är5P10.Denna beteckning uppdelas enligt följande:

• 5Det sammansatta felet kommer inte att överstiga 5 % vid noggrannhetsgränsen.
• PDenna bokstav betecknar den som en skyddsklass CT.
• 10Detta är noggrannhetsgränsfaktorn (ALF). Det betyder att CT:n kommer att bibehålla sin specificerade noggrannhet upp till 10 gånger sin nominella primärström.

Kort sagt garanterar en 5P10 CT att när primärströmmen är 10 gånger dess normala märkström, ligger signalen som skickas till reläet fortfarande inom 5 % av det ideala värdet, vilket säkerställer att reläet fattar ett korrekt utlösningsbeslut.

Börda och VA-klassificering

Bördaär den totala elektriska belastningen ansluten till CT:ns sekundära terminaler, mätt i voltampere (VA) eller ohm (Ω). Varje enhet och kabel som är ansluten till CT:n bidrar till denna belastning. Att överskrida en CT:s nominella belastning försämrar dess noggrannhet.

Den totala bördan ärsumman av impedanserna för alla komponenteri sekundärkretsen:

• CT:ns egen sekundärlindningsresistans.
• Resistansen hos ledningarna som ansluter CT:n till enheten.
• Den anslutna enhetens interna impedans (mätare eller relä).

Beräkning av total belastning:En ingenjör kan beräkna den totala belastningen med hjälp av formeln:Total belastning (Ω) = CT-lindning R (Ω) + tråd R (Ω) + enhet Z (Ω)Om till exempel en CT:s sekundärlindningsresistans är 0,08 Ω, anslutningsledningarna har en resistans på 0,3 Ω och reläet har en impedans på 0,02 Ω, är den totala kretsbelastningen 0,4 Ω. Detta värde måste vara mindre än CT:ns nominella belastning för att den ska fungera korrekt.

Mät-CT:er har vanligtvis låga VA-värden (t.ex. 2,5 VA, 5 VA) eftersom de ansluts till högohmiga mätenheter med låg förbrukning över korta avstånd. Skydds-CT:er kräver mycket högre VA-värden (t.ex. 15 VA, 30 VA) eftersom de måste leverera tillräckligt med ström för att driva spolarna med lägre ohm och högre förbrukning i ett skyddsrelä, ofta över mycket längre kabeldragningar. Felaktig matchning av CT:ens belastningsklassning med den faktiska kretsbelastningen är en vanlig felkälla i både mät- och skyddsscheman.

Förstå knäpunktsspänningen

Knäpunktsspänningen (KPV) är en kritisk parameter exklusiv för skyddsströmtransformatorer. Den definierar den övre gränsen för en strömtransformators användbara driftsområde innan dess kärna börjar mättas. Detta värde är avgörande för att säkerställa att ett skyddsrelä får en tillförlitlig signal under ett högströmsfel.

Ingenjörer bestämmer KPV från CT:ns excitationskurva, som plottar den sekundära excitationsspänningen mot den sekundära excitationsströmmen. "Knäet" är den punkt på denna kurva där kärnans magnetiska egenskaper förändras dramatiskt.

DeIEEE C57.13-standardenger en exakt definition för denna punkt. För en kärn-CT utan mellanrum är knäpunkten där en tangent till kurvan bildar en 45-graders vinkel med den horisontella axeln. För en kärn-CT med mellanrum är denna vinkel 30 grader. Denna specifika punkt markerar början på mättnad.

När en CT arbetar under sin knäpunktsspänning, är dess kärna i ett linjärt magnetiskt tillstånd. Detta gör att den kan återge felströmmen för det anslutna reläet korrekt. Men när sekundärspänningen överstiger KPV, går kärnan in i mättnad. Mättnad, ofta driven av stora växelströmmar och likströmsförskjutningar under ett fel, orsakar CT:nsmagnetiseringsimpedansen att minska avsevärtTransformatorn kan inte längre korrekt reflektera primärströmmen till sin sekundärsida.

Sambandet mellan KPV och skyddets tillförlitlighet är direkt och avgörande:

• Punkten nedanför knäet:Strömtransformatorns kärna arbetar linjärt. Den ger en noggrann representation av felströmmen till skyddsreläet.
• Punkt ovanför knäet:Kärnan mättas. Detta leder till en stor ökning av magnetiseringsströmmen och icke-linjär drift, vilket innebär att CT:n inte längre korrekt återspeglar den verkliga felströmmen.
• Relädrift:Skyddsreläer behöver en noggrann signal för att fungera korrekt. Om en transformator mättas innan reläet kan fatta ett beslut, kan reläet misslyckas med att detektera felets verkliga storlek, vilket leder till en försenad utlösning eller ett fullständigt funktionsfel.
• Systemsäkerhet:Därför måste transformatorns knäspänning vara tillräckligt högre än den maximala sekundärspänningen som förväntas vid ett fel. Detta säkerställer att reläet får en pålitlig signal för att skydda dyr utrustning.

Ingenjörer beräknar den erforderliga KPV:n för att säkerställa att CT:n förblir omättad under de värsta tänkbara felförhållandena. En förenklad formel för denna beräkning är:

Nödvändig KPV ≥ Om × (Rct + Rb)

Där:

• If= Maximal sekundär felström (ampere)
• Rct= CT sekundärlindningsresistans (ohm)
• Rb= Total belastning för relä, kablage och anslutningar (ohm)

I slutändan fungerar knäpunktsspänningen som den primära indikatorn på en skydds-CT:s förmåga att utföra sin säkerhetsfunktion under extrem elektrisk belastning.

Avkodning av strömtransformatorns namnskyltsbeteckningar

En strömtransformators namnskylt innehåller en kompakt kod som definierar dess prestanda. Denna alfanumeriska beteckning är ett förkortningsspråk för ingenjörer som specificerar komponentens noggrannhet, tillämpning och driftsgränser. Att förstå dessa koder är avgörande för att välja rätt enhet.

Tolkning av mät-CT-klasser (t.ex. 0,2, 0,5S, 1)

Mätnings-CT-klasser definieras av ett tal som representerar det maximala tillåtna procentuella felet vid märkströmmen. Ett mindre tal indikerar en högre grad av precision.

• Klass 1:Lämplig för allmän panelmätning där hög precision inte är avgörande.
• Klass 0.5:Används för kommersiella och industriella faktureringsapplikationer.
• Klass 0.2:Krävs för hög noggrann intäktsmätning.

Vissa klasser inkluderar bokstaven 'S'. Beteckningen 'S' i IEC-mätnings-CT-klasser, såsom 0.2S och 0.5S, betecknar hög noggrannhet. Denna specifika klassificering används vanligtvis i tariffmätningstillämpningar där exakta mätningar är avgörande, särskilt i den nedre delen av strömintervallet.

Tolkning av skydds-CT-klasser (t.ex. 5P10, 10P20)

Skydds-CT-klasser använder en tredelad kod som beskriver deras beteende vid ett fel. Ett vanligt exempel är5P10.

Genomgång av 5P10-koden:

• 5Detta första tal är det maximala sammansatta felet i procent (5 %) vid noggrannhetsgränsen.
• PBokstaven 'P' i en klassificering som 5P10 betecknar 'skyddsklass'. Detta indikerar att CT:n primärt är konstruerad för skyddsreläapplikationer snarare än exakta mätningar.
• 10Denna sista siffra är noggrannhetsgränsfaktorn (ALF). Det betyder att CT:n kommer att bibehålla sin specificerade noggrannhet upp till en felström som är 10 gånger dess nominella värde.

På liknande sätt, en22:00Klass CT har en sammansatt felgräns på 10 % och en noggrannhetsgränsfaktor på20I en beteckning som 10P20 betecknar siffran '20' noggrannhetsgränsfaktorn. Denna faktor indikerar att transformatorns fel kommer att hålla sig inom acceptabla gränser när strömmen är 20 gånger dess nominella värde. Denna förmåga är avgörande för att säkerställa att skyddsreläer fungerar korrekt under allvarliga kortslutningsförhållanden.

Applikationsguide: Matcha CT:n med uppgiften

Att välja lämplig strömtransformator är inte en fråga om preferens utan ett krav som dikteras av tillämpningen. En mät-CT ger den precision som behövs för finansiella transaktioner, medan en skydds-CT ger den tillförlitlighet som krävs för tillgångssäkerhet. Att förstå var man ska applicera varje typ är grundläggande för sund elsystemdesign och drift.

När man ska använda en mät-CT

Ingenjörer bör använda en mät-CT i alla tillämpningar där exakt spårning av elförbrukning är det primära målet. Dessa enheter är grunden för korrekt fakturering och energihantering. Deras design prioriterar hög noggrannhet under normala belastningsförhållanden.

Viktiga tillämpningar för mät-CT:er inkluderar:

• Intäkts- och tariffmätningEnergibolag använder högprecisionsströmtransformatorer (t.ex. klass 0.2S, 0.5S) för fakturering av bostads-, kommersiella och industriella kunder. Noggrannheten säkerställer rättvisa och korrekta finansiella transaktioner.
• Energiledningssystem (EMS)Anläggningar använder dessa CT:er för att övervaka energiförbrukningen i olika avdelningar eller utrustning. Denna data hjälper till att identifiera ineffektivitet och optimera energianvändningen.
• Analys av elkvalitetElkvalitetsanalysatorer kräver noggranna indata för att diagnostisera problem som övertoner och spänningssänkningar. För dessa mätningar, särskilt i mellanspänningssystem, är frekvensresponsen hos instrumenttransformatorn avgörande. Moderna analysatorer kan behöva tillförlitliga data.upp till 9 kHz, vilket kräver frekvensoptimerade transformatorer för att fånga ett fullt harmoniskt spektrum.

Anmärkning om val:När man väljer en CT för en effektmätare eller analysator är flera faktorer avgörande.

• UtgångskompatibilitetStrömtransformatorns utgång (t.ex. 333 mV, 5 A) måste matcha mätarens ingångskrav.
• LaststorlekCT: Strömförsörjarens strömstyrka bör överensstämma med den förväntade belastningen för att bibehålla noggrannheten.
• Fysisk formStrömtransformatorn måste fysiskt passa runt ledaren. Flexibla Rogowski-spolar är en praktisk lösning för stora samlingsskenor eller trånga utrymmen.
• NoggrannhetFör fakturering är en noggrannhet på 0,5 % eller bättre standard. För generell övervakning kan 1 % vara tillräckligt.

När man ska använda en skydds-CT

Ingenjörer måste använda en skydds-CT där det primära målet är att skydda personal och utrustning från överströmmar och fel. Dessa CT:er är konstruerade för att förbli i drift under extrema elektriska händelser och ge en tillförlitlig signal till ett skyddsrelä.

Vanliga tillämpningar för skydds-CT:er inkluderar:

• Överströms- och jordfelsskyddDessa strömtransformatorer matar signaler till reläer (som ANSI Device 50/51) som detekterar fas- eller jordfel. Reläet löser sedan ut en strömbrytare för att isolera felet. I mellanspänningsställverk, med hjälp av en dedikeradnollföljds-CTför jordfelsskydd rekommenderas ofta över en nollpunktsanslutning avtrefas-CT:erEn kvarvarande anslutning kan leda till falska utlösningar på grund av ojämn mättnad vid motorstart eller fasfel.
• DifferentialskyddDetta system skyddar viktiga tillgångar som transformatorer och generatorer genom att jämföra strömmar som kommer in i och ut ur den skyddade zonen. Det kräver matchade uppsättningar av skydds-CT:er.Moderna digitala reläerkan kompensera för olika CT-anslutningar (Wye eller Delta) och fasförskjutningar genom programvaruinställningar, vilket ger betydande flexibilitet i dessa komplexa scheman.
• AvståndsskyddDetta schema, som används i transmissionsledningar, förlitar sig på skydds-CT:er för att mäta impedansen mot ett fel. CT-mättnad kan förvränga denna mätning, vilket gör att reläet felbedömer felets plats. Därför måste CT:n vara konstruerad för att undvika mättning under mätningens gång.

Enligt ANSI C57.13 måste en standard skyddande CT klara upp till20 gångerdess märkström under ett fel. Detta säkerställer att den kan leverera en användbar signal till reläet när det är som mest viktigt.

Den höga kostnaden för felaktigt val

Att använda fel typ av CT är ett kritiskt fel med allvarliga konsekvenser. De funktionella skillnaderna mellan mät- och skydds-CT är inte utbytbara, och en felmatchning kan leda till farliga och kostsamma resultat.

• Använda en mät-CT för skyddDetta är det farligaste misstaget. En mät-CT är konstruerad för att mättas vid låga överströmmar för att skydda mätaren. Vid ett större fel kommer den att mättas nästan omedelbart. Den mättade CT:n kommer inte att kunna reproducera den höga felströmmen, och skyddsreläet kommer inte att se händelsens verkliga magnitud. Detta kan leda till en försenad utlösning eller ett fullständigt funktionsfel, vilket resulterar i katastrofala utrustningsskador, brand och risker för personal. Till exempel kan mättning av CT:n orsaka att ett transformatordifferentialskyddsrelä slutar fungera.felaktigt fungera, vilket leder till ett oönskat urkopplingsfel vid ett externt fel.
• Använda en skydds-CT för mätningDetta val leder till ekonomisk felaktighet. En skydds-CT är inte konstruerad för precision vid normala driftsströmmar. Dess noggrannhetsklass (t.ex. 5P10) garanterar prestanda vid höga multiplar av dess klassificering, inte i den lägre delen av skalan där de flesta system fungerar. Att använda den för fakturering skulle vara som att mäta ett sandkorn med en måttstock. De resulterande energiräkningarna skulle vara felaktiga, vilket skulle leda till intäktsförluster för energibolaget eller överdebitering för konsumenten.

Ett kritiskt felscenario:I distansskyddssystem orsakar CT-mättnad att reläet mäter enhögre impedansän det faktiska värdet. Detta förkortar effektivt reläets skyddsräckvidd. Ett fel som bör åtgärdas omedelbart kan ses som ett mer avlägset fel, vilket orsakar en fördröjd utlösning. Denna fördröjning förlänger belastningen på det elektriska systemet och ökar risken för omfattande skador.

I slutändan går kostnaden för ett felaktigt val av CT långt utöver priset på själva komponenten. Det manifesterar sig i utrustningsförstörelse, driftstopp, felaktig ekonomisk dokumentation och äventyrad säkerhet.

Kan en CT fungera både som mätare och skyddare?

Även om mät- och skydds-CT-transformatorer har olika konstruktioner, behöver ingenjörer ibland en enda enhet för att utföra båda funktionerna. Detta behov ledde till utvecklingen av specialiserade transformatorer med dubbla funktioner, men de har specifika nackdelar.

Den dubbelfunktionella (klass X) CT:n

En särskild kategori, känd somKlass X- eller PS-klass strömtransformator, kan fungera både som mätare och som skydd. Dessa enheter definieras inte av standardnoggrannhetsklasser som 5P10. Istället specificeras deras prestanda av en uppsättning nyckelparametrar som en ingenjör använder för att verifiera deras lämplighet för ett specifikt skyddssystem.

Enligt IEC-standarder, prestandan för en klass X CT definieras av:

• Nominell primärström
• Varvförhållande
• Knäpunktsspänning (KPV)
• Magnetiseringsström vid den angivna spänningen
• Sekundärlindningsresistans vid 75°C

Dessa egenskaper gör att enheten kan erbjuda hög noggrannhet vid mätning under normala förhållanden samtidigt som den ger en förutsägbar knäpunktsspänning för tillförlitlig relädrift vid fel. De används ofta i högohmiga differentialskyddssystem där prestandan måste vara exakt känd.

Praktiska begränsningar och avvägningar

Trots förekomsten av klass X-strömtransformatorer undviks ofta användningen av en enda enhet för både mätning och skydd. De två funktionerna har fundamentalt motstridiga krav.

En mät-CT är utformad för att mättas tidigt för att skydda känsliga mätare.skydds-CT är utformadför att motstå mättnad för att säkerställa att ett relä kan upptäcka ett fel. En dubbelfunktionell CT måste göra en kompromiss mellan dessa två motsatta mål.

Denna kompromiss innebär att en dubbelfunktionell CT kanske inte utför någon av uppgifterna lika bra som en dedikerad enhet. Konstruktionen blir mer komplex och dyr. För de flesta tillämpningar är det den mer tillförlitliga och kostnadseffektiva lösningen att installera två separata, specialiserade CT:er – en för mätning och en för skydd. Denna metod säkerställer att bådafaktureringssystemoch säkerhetssystemet fungerar kompromisslöst.

---

Valet mellanmät- och skydds-CT:erär ett tydligt beslut baserat på operativ prioritet. Det ena ger precision för fakturering, medan det andra säkerställer tillförlitlighet vid ett fel. Att välja rätt typ är inte förhandlingsbart för systemsäkerhet, ekonomisk noggrannhet och utrustningens livslängd. Ingenjörer måste alltid jämföra CT:ns specifikationer med den anslutna enhetens behov.

Enchecklista för slutlig verifieringinkluderar:

1. Bestäm primärströmmenAnpassa CT-förhållandet till den maximala belastningen.
2. Beräkna bördaSummera lasten på alla anslutna komponenter.
3. Verifiera noggrannhetsklassVälj rätt klass för mätning eller skydd.

Vanliga frågor

Vad händer om en CT:s sekundärkrets lämnas öppen?

En öppen sekundärkrets skapar en farlig högspänning. Primärströmmen blir magnetiserande ström, vilket mättar kärnan. Detta tillstånd kan förstöra CT:n och utgör en allvarlig risk för elstötar.

Säkerhet först:Kortslut alltid sekundärterminalerna innan du kopplar bort något instrument från kretsen.

Hur väljer ingenjörer rätt CT-förhållande?

Ingenjörer väljer ett förhållande där systemets normala maximala ström ligger nära CT:ns primära märkström. Detta val säkerställer att CT:n arbetar inom sitt mest exakta område. Till exempel fungerar en 90A belastning bra med en 100:5A CT.

Varför är en mät-CT osäker för skydd?

En mät-CT mättas snabbt vid ett fel. Den kan inte rapportera den verkliga felströmmen till skyddsreläet. Reläet misslyckas då med att lösa ut brytaren, vilket leder till utrustningsförstörelse och allvarliga säkerhetsrisker.

Kan en CT fungera som både mätare och skyddstransformator?

Specialklass X-strömtransformatorer kan fylla båda rollerna, men deras design är en kompromiss. För optimal säkerhet och noggrannhet installerar ingenjörer vanligtvis två separata, dedikerade strömtransformatorer – en för mätning och en för skydd.