что такое класс точности трансформатора тока
Невский трансформаторный завод «Волхов»
Технический портал компании
Категории
Класс точности трансформатора тока
Класс точности вторичной обмотки является основной метрологической характеристикой и определяется двумя погрешностями – токовой, измеряемой в процентах (%) и угловой, измеряемой в минутах (мин).
Токовая погрешность
Токовая погрешность – это погрешность, которую вносит трансформатор при измерении тока, возникающая в следствии того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному.
Номинальная токовая погрешность представляет собой разность вторичных токов – действительного и номинального, отнесенную к номинальному вторичному току и выраженную в процентах.
Угловая погрешность
Угловая погрешность – это угол между вектором первичного тока и повернутым на 180° вектором вторичного тока. Угловая погрешность считается положительной, когда вектор вторичного тока, повернутый на 180°, опережает вектор первичного тока.
Выбор класса точности
В зависимости от назначения каждая вторичная обмотка ТТ должна иметь класс точности, определенный ГОСТ 7746-2015. Класс точности вторичных обмоток для измерений и учета, как правило, выбирается из ряда: 0,2; 0,2S; 0,5; 0,5S, возможны и другие значения: 1 или 3.
Обмотки для коммерческого учета должны иметь класс точности 0,2S или 0,5S. Погрешность этих классов точности нормируется в более широком диапазоне первичных токов (1–120%), а пределы допускаемых погрешностей меньше.
Классы точности вторичных обмоток для защиты – 5Р; 10Р.
Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток трансформаторов тока согласно ГОСТ 7746-2015 приведены ниже:
Что такое трансформатор тока, его конструкция и принцип работы
Для нормального функционирования устройств обеспечивающих релейную защиту высоковольтных ЛЭП, требуется контролировать параметры электрической линии. Снимать показания с высоковольтных проводов напрямую – опасно и не эффективно. Режим работы обычного трансформатора не позволяет контролировать изменение тока. Решает эту проблему трансформатор тока, у которого показатели вторичной цепи изменяются пропорционально величине тока первичной обмотки.
Конструкция и принцип действия
Внешний вид типичного трансформатора тока представлен на рисунке 1. Характерным признаком этих моделей является наличие у них диэлектрического корпуса. Формы корпусов могут быть разными – от прямоугольных до цилиндрических. В некоторых конструкциях отсутствуют проходные шины в центре корпуса. Вместо них проделано отверстие для обхвата провода, который выполняет функции первичной обмотки.
Рис. 1. Трансформатор тока
Материалы диэлектриков выбирают в зависимости от величины напряжений, для которых предназначено устройство и от условий его эксплуатации. Для обслуживания промышленных энергетических систем изготавливают мощные ТТ с керамическими корпусами цилиндрической формы (см. рис. 2).
Рис. 2. Промышленный керамический трансформатор тока
Особенностью трансформатора является обязательное наличие нагрузочного элемента (сопротивления) во вторичной обмотке (см. рис. 3). Резистор необходим для того, чтобы не допускать работы в режиме без вторичных нагрузок. Функционирование трансформатор тока с ненагруженными вторичными обмотками недопустимо из-за сильного нагревания (вплоть до разрушения) магнитопровода.
Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора тока
В отличие от трансформаторов напряжения, ТТ оснащены только одним витком первичной обмотки (см. рис. 4). Этим витком часто является шина, проходящая сквозь кольцо сердечника с намотанными на него вторичными обмотками (см. рис. 5).
Рис. 4. Схематическое изображение ТТ 
Рис. 5. Устройство ТТ
Иногда в роли первичной обмотки выступает проводник электрической цепи. Для этого конструкция сердечника позволяет применить шарнирное соединение частей трансформатора для обхвата провода (см. рис. 6).
Рис. 6. ТТ с разъемным корпусом
Сердечники трансформаторов выполняются способом шихтования кремнистой стали. В моделях высокого класса точности сердечники изготовляют из материалов на основе нанокристаллических сплавов.
Принцип действия.
Основная задача токовых трансформаторов понизить (повысить) значение тока до приемлемой величины. Принцип действия основан на свойствах трансформации переменного электрического тока. Возникающий переменный магнитный поток улавливается магнитопроводом, перпендикулярным направлению первичного тока. Этот поток создается переменным током первичной катушки и наводит ЭДС во вторичной обмотке. После подключения нагрузки начинает протекать электрический ток по вторичной цепи.
Поскольку ток во вторичной катушке обратно пропорционален количеству витков в ней, то путем увеличения (уменьшения) коэффициента трансформации, зависящего от соотношения числа витков в обмотках, можно добиться нужного значения выходного тока.
На практике, чаще всего, эту величину устанавливают подбором количества витков во вторичной обмотке, делая первичную обмотку одновитковой.
Линейная зависимость выходного тока (при номинальной мощности) позволяет определять параметры величин в первичной цепи. Численно эта величина во вторичной катушке равна произведению реального значения тока на номинальный коэффициент трансформации.
В идеале I1 = kI2 = I2W2/W1. С учетом того, что W1 = 1 (один виток) I1 = I2W2 = kI2. Эти несложные вычисления можно заложить в программу электронного измерителя.
Рис. 7. Принцип действия трансформатора тока
На рисунке 7 не показан нагрузочный резистор. При измерениях необходимо учитывать и его влияние. Все допустимые погрешности в измерениях отображает класс точности ТТ.
Классификация
Семейство трансформаторов тока классифицируют по нескольким признакам.
Трансформаторы тока можно классифицировать и по другим признакам, например, по типу изоляции или по количеству ступеней трансформации.
Расшифровка маркировки
Каждому типу трансформаторов присваиваются буквенно-цифровые символы, по которым можно определить его основные параметры:
Схемы подключения
Первичные катушки трансформаторов тока включаются в цепь последовательно. Вторичные катушки предназначены для подключения измерительных приборов или используются системами релейной защиты.
Во вторичную цепь включаются выводы измерительных приборов и устройства релейной защиты. С целью обеспечения безопасности, сердечник магнитопровода и один из зажимов вторичной катушки должны заземляться.
При подключении трехфазных счетчиков, в сетях с изолированной нейтралью обмотки трансформатора соединяются по схеме «Неполная звезда». При наличии нулевого провода применяется схема полной звезды.
Выводы трансформаторов маркируются. Для первичной обмотки применяются обозначения Л1 и Л2, а для вторичной – И1 и И2. При подключении измерительных приборов следует соблюдать полярность обмоток.
Схема «неполная звезда» применяется для двухфазного соединения.
В дифференциальных защитах, используемых в силовых трансформаторах, обмотки включаются треугольником.
Основные схемы подключения:
Технические параметры
Очень важной характеристикой трансформатора тока является класс точности. Этот параметр характеризует погрешность измерения, то есть показывает, на сколько номинальный (идеальный) коэффициент трансформации отличается от реального.
Коэффициент трансформации
Так как в реальном коэффициенте трансформации присутствует синфазная и квадратурная составляющая, то значения коэффициента всегда отличаются от номинального. Разницу (погрешность) необходимо учитывать при измерениях. На результаты измерений влияют также угловые погрешности.
У всех ТТ погрешность отрицательна, так как у них всегда присутствуют потери от намагничивания и нагревания токовых катушек. С целью устранения отрицательного знака погрешности, для смещения параметров трансформации в положительную сторону, применяют витковую коррекцию. Поэтому в откорректированных устройствах привычная формула для вычислений не работает. Поэтому коэффициенты трансформации в таких аппаратах производители определяют опытным путем и указывают их в техпаспорте.
Класс точности
Токовые погрешности искажают точность измерения электрического тока. Поэтому для измерительных трансформаторов высокие требования к классу точности:
Трансформатор может находиться в пределах заявленного класса точности, только если сопротивление максимальной нагрузки не превышает номинального, а ток в первичной цепи не выходит за пределы 0,05 – 1,2 величины номинального тока трансформатора.
О назначении
Основная сфера применения трансформаторов – защита измерительного и другого оборудования от разрушительного действия предельно высоких токов. ТТ применяются для подключения электрического счетчика, изоляции реле от воздействия мощных токовых нагрузок.
Класс точности — важнейшая характеристика трансформатора
Трансформатор тока является первым звеном в цепи информационно-измерительной системы, включающей в себя устройства для приема, обработки и передачи данных, программное обеспечение и счетчики электроэнергии. Однако точность всего этого оборудования не будет иметь смысла при низкой точности трансформатора тока. Поэтому класс точности трансформаторов за последние несколько лет приобрел особое значение.
«Класс точности» — это одна из важнейших характеристик трансформатора, которая обозначает, что его погрешность измерений не превышает значений, определенных нормативными документами. А погрешность, в свою очередь, зависит от множества факторов. Современные разработки позволяют изготавливать трансформаторы тока на 6-10кВ с количеством обмоток до четырех. При этом комбинации классов точности обмоток могут быть самыми различными и удовлетворять любым запросам служб эксплуатации.
Самыми простыми и популярными вариантами являются 0,5/10Р и 0,5S/10Р, в последнее время пользуются спросом комбинации 0,5S/0,5/10Р и 0,2S/0,5/10Р, но встречаются и более специальные сочетания, как, например, 0,2S/0,5/5Р/10Р.
Класс точности каждой обмотки выбирается, в первую очередь, исходя из ее назначения. Все обмотки испытываются индивидуально, и для каждой из них предусмотрена своя программа испытаний. Так, обмотки, предназначенные для коммерческого учета электроэнергии (классов точности 0,5S, 0,2S), проверяются по пяти точкам в диапазоне от 1% до 120% от номинального тока.
Обмотки для измерений классов 0,5, 0,2 и редко используемого класса 1 испытываются на соответствие ГОСТ по четырем точкам — от 5% до 120%. И, наконец, обмотки, предназначенные для защиты (10Р и 5Р), — всего по трем точкам: 50%, 100% и 120% номинального тока. Такие обмотки должны соответствовать классу точности «3». Детально требования к классам точности трансформаторов тока определены в ГОСТ 7746-2001, который является государственным стандартом не только в Российской Федерации, но и в республиках СНГ. Кроме того, данный стандарт соответствует требованиям международного стандарта МЭК 44-1:1996.
Другими словами, класс точности — это понятие универсальное и международное, и требования к классам точности аналогичны во всех странах, поддерживающих стандарты МЭК. Исключение составляют страны, где не пользуются метрической системой, как, например, США. Там принят другой ряд классов точности, который выглядит следующим образом: 0,3; 0,6; 1,2; 2,4. Погрешность трансформатора тока во многом определяется его конструкцией, то есть такими параметрами, как: геометрические размеры и форма магнитопровода, количество витков и сечение провода обмотки. Кроме того, одним из наиболее важных факторов, влияющих на погрешность трансформатора, является материал магнитопровода. Таково свойство магнитных материалов, что при малых первичных токах (1% — 5% от номинального) погрешность обмотки максимальная. Поэтому основная проблема для конструкторов, проектирующих трансформаторы тока, — это добиться соответствия классу точности именно в этом диапазоне. В настоящее время при изготовлении обмоток, предназначенных для коммерческого учета, используется не электротехническая сталь, а нанокристаллические (аморфные) сплавы, обладающие высокой магнитной проницаемостью. Именно это свойство позволяет добиться высокой точности трансформатора при малых первичных токах и получать классы точности 0,5S и 0,2S. Зависимость погрешности трансформатора от первичного тока не линейна, поскольку напрямую зависит от характеристики намагничивания магнитопровода, которая для магнитных электротехнических материалов также не линейна.
Поэтому требования к классам точности представляют собой некий диапазон, в который должны укладываться погрешности трансформатора. Чем выше класс точности, тем уже диапазон.
Разница же между классами 0,5 и 0,5S (или 0,2 и 0,2S) состоит в том, что погрешность обмотки класса 0,5 не нормируется ниже 5% номинального тока. Именно при таких токах происходит недоучет электроэнергии, который можно сократить в несколько раз, применяя трансформаторы классов точности 0,5S и 0,2S. Ужесточение требований к учету электроэнергии значительно сказалось на рынке измерительных трансформаторов тока и даже отразилось на конструкции большинства моделей. Более того, потребность в автоматизации и разделении цепей учета и измерения вызвала появление новых разработок, основными принципами которых стали: малые габариты, увеличенное число обмоток, защита информации, технологичность, надежность, многовариантность характеристик.
До сих пор на многих узлах учета стоят трансформаторы тока типов ТВК-10, ТВЛМ-10, ТПЛ-10 и множество им подобных. Это трансформаторы, конструкции которых разрабатывались в 50-60-х годах прошлого века, когда не было и речи о коммерческом учете. Магнитопроводы этих трансформаторов производились методом шихтовки и не позволяли получить класс точности выше «0,5». Кроме того, они даже не были защищены корпусом, так что с годами их качество только ухудшилось. Сейчас такие трансформаторы едва ли входят в класс точности «1», но и точность — далеко не единственное требование, которому они не соответствуют. Отсутствие возможности пломбировки, недостаточные нагрузки, выработанный ресурс надежности — все это вынуждает службы эксплуатации искать замену устаревшим трансформаторам. К счастью, возможности по замене сейчас практически не ограничены. Например, на ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока» выпускаются современные трансформаторы, способные заменить практически любой трансформатор старой конструкции. Новые модели ТОЛ-10-1М, ТПОЛ-10М, ТПЛ-10М, ТЛШ-10, призванные заменить своих предшественников ТОЛ-10,ТПФ-10,ТПЛ-10,ТПШЛ-10, сочетают в себе передовые разработки и отвечают всем изложенным выше принципам. На данный момент в России и соседних республиках существует шесть предприятий, изготавливающих трансформаторы тока с литой изоляцией. Большинство из этих предприятий использует купленные технологии или работает по лицензии европейских производителей. И только ОАО «СЗТТ», оставаясь крупнейшим со времен СССР производителем литых трансформаторов, осуществляет производство, используя собственный накопленный десятилетиями опыт и огромную научно-техническую базу. Именно здесь первыми в России начали выпускать трансформаторы тока для коммерческого учета электроэнергии, и именно здесь для этих целей впервые стали применять нанокристаллические сплавы. Использование новых материалов существенно расширило возможности модернизации, а повышенный спрос на новые модели, в свою очередь, значительно повлиял на рост производства аморфных сплавов. Сейчас завод тесно сотрудничает с производителями этой металлургической продукции, поскольку все магнитопроводы для трансформаторов класса точности 0,5S и 0,2S под маркой ОАО «СЗТТ» изготавливаются на основе этих уникальных технологий. Кроме повышенных классов точности, аморфные сплавы дают возможность повысить номинальную нагрузку обмоток, обеспечивают лучшую защиту приборов, подключенных к трансформатору, а также не подвержены эффекту старения, то есть их характеристики не ухудшаются со временем. Кроме того, испытательный центр ОАО «СЗТТ» проводит стопроцентную метрологическую поверку каждого выпускаемого трансформатора независимо от класса точности. Именно таким образом получаются наиболее точные и качественные изделия, гарантирующие надежную работу и высокую точность систем АИИСКУЭ.
Техническая сторона вопроса
Так как при преобразовании тока происходят потери энергии в обмотках и магнитопроводе, а также сдвиг по фазе вторичного тока, то трансформатор тока (ТТ) обладает токовой fi и угловой δi погрешностями. Зависимость погрешностей от первичного тока I1 является нелинейной из-за свойств материала магнитопровода трансформатора тока. Поэтому для трансформаторов тока ГОСТ 7746 – 2001 задаёт допускаемые диапазоны токовой и угловой погрешностей, которые представлены в таблице.
Из таблицы видно, что погрешности трансформаторов тока классов точности 0,5S и 0,2S, при первичных токах менее 20% от номинального, меньше, чем погрешности трансформаторов с классом точности 0,5 и 0,2 соответственно. Следовательно, можно сказать, что при малой загрузке первичным током в трансформаторе тока класса точности 0,5 возникают большие погрешности, это приводит к значительной погрешности измерения электроэнергии. Для проведения мероприятий по энергосбережению это недопустимо. Необходимо иметь точную информацию о реальном потреблении и, соответственно, высокую точность измерения электроэнергии. Вот где и возникает необходимость использования трансформаторов тока с классом точности 0,5S и 0,2S.
Таблица допускаемых диапазонов токовой и угловой погрешностей по ГОСТ 7746 – 2001
Первичный ток I1, % от номинального значения
ЗАЧЕМ ТРАНСФОРМАТОРУ ВЫСОКИЙ КЛАСС ТОЧНОСТИ?
ЗАЧЕМ ТРАНСФОРМАТОРУ ВЫСОКИЙ КЛАСС ТОЧНОСТИ?
Погрешность трансформатора тока во многом определяется его конструкцией, то есть такими параметрами, как геометрические размеры и форма магнитопровода, количество витков и сечение провода обмотки. Кроме того, одним из наиболее важных факторов, влияющих на погрешность трансформатора, является материал магнитопровода.
Ужесточение требований к учету электро энергии значительно сказалось на рынке измерительных трансформаторов тока и даже отразилось на конструкции большинства мо делей. Более того, потребность в автомати зации и разделении цепей учета и измерения вызвала появление новых разработок, основ ными принципами которых стали малые габариты, увеличенное число обмоток, защита информации, технологичность, надежность, многовариантность характеристик.
К счастью, возможности по замене сейчас практически не ограничены. На сегодняшний день выпускаются современные трансформаторы, способные заменить практически любой трансформатор старой конструкции. Новые модели ТОЛ-10-1М, ТПОЛ-10М, ТПЛ-10М, ТЛШ-10, призванные заменить своих предшественников ТОЛ-10, ТПФ-10, ТПЛ-10, ТПШЛ-10, сочетают в себе передовые разработки и отвечают всем из ложенным выше принципам.
На данный момент в России и соседних республиках существует шесть предприятий, изготавливающих трансформаторы тока с ли той изоляцией. Большинство из этих предпри ятий использует купленные технологии или работает по лицензии европейских произво дителей.
Использование новых материалов суще ственно расширило возможности модерниза ции, а повышенный спрос на новые модели, в свою очередь, значительно повлиял на рост производства аморфных сплавов.
Кроме повышенных классов точности, аморфные сплавы дают возможность повы сить номинальную нагрузку обмоток, обеспе чивают лучшую защиту приборов, подключен ных к трансформатору, а также не подвержены эффекту старения, то есть их характеристики не ухудшаются со временем.
Именно таким образом получаются наи более точные и качественные изделия, гаран тирующие надежную работу и высокую точ ность систем АИИС КУЭ.
Трансформаторы тока в переходных режимах
Измерительные трансформаторы являются неотъемлемой частью любой энергоустановки. С помощью измерительных трансформаторов осуществляется учет электроэнергии, измерения параметров сети, они являются первичными источниками сигнала для релейных защит, устройств телемеханики и автоматики. Мы уже затрагивали тему выбора трансформаторов тока в целях учета электрической энергии, сегодня уделим внимание общим принципам их классификации и конструкции, а также нормативно-технической базе в части обеспечения функционала релейных защит.
В первую очередь нужно отметить, что важным аспектом работы современных микропроцессорных релейных защит является их быстродействие, которое должно обеспечиваться не только собственными возможностями программно-технических комплексов устройств РЗА, но и возможностями первичных аналоговых преобразователей, таких как трансформаторы тока.
Токовые цепи релейных защит, как правило, питаются таким же образом, как приборы учета и устройства измерения — источником аналогового сигнала для них являются трансформаторы тока. Отличие состоит в условиях работы: измерительные приборы работают в классе точности при фактическом первичном токе, не превышающем номинального, тогда как устройства релейной защиты рассчитаны на работу в режимах короткого замыкания или перегрузки, когда фактический ток значительно превышает номинальный ток трансформатора. К тому же, такие режимы являются переходными — в составе первичного тока появляются свободные апериодические составляющие.
Как известно, работа трансформатора тока характеризуется уравнением намагничивающих сил: I1 • w1 + I2 • w2 = Iнам • w1
I1 — ток в первичной обмотке;
w1—количество витков первичной обмотки;
I2 — ток во вторичной обмотке;
w2 — количество витков вторичной обмотки;
Iнам — ток намагничивания.
Из приведенного выражения видно, что первичный ток трансформируется во вторичную обмотку не полностью — часть его уходит на формирование тока намагничивания, создающего рабочий магнитный поток в сердечнике ТТ (поток, формирующий ЭДС во вторичной обмотке, под воздествием которой там и протекает ток). Это происходит как в установившихся, так и в переходных режимах. В переходном процессе каждая составляющая, протекая по первичной обмотке трансформатора тока, делится на две части: одна трансформируется во вторичную обмотку, а вторая идет на намагничивание сердечника. В связи с тем, что скорость изменения апериодической составляющей гораздо меньше скорости изменения переменной составляющей, а периодическая составляющая плохо трансформируется во вторичную цепь и большая ее часть идет на насыщение сердечника. Это, в свою очередь, ухудшает трансформацию периодической составляющей во вторичную цепь и также повышает долю этого тока в токе намагничивания. Возникает так называемое, «подмагничивающее действие». Учитывая, что в сердечниках ТТ во многих случаях имеет место остаточная магнитная индукция, которая сохраняется в течение длительного времени (дни, недели и даже месяцы), наихудший режим работы возникает в случае, если остаточный магнитный поток в сердечнике совпадает по направлению с магнитным потоком, создаваемым апериодической составляющей тока намагничивания.
В результате трансформатор начинает работать в режиме насыщения, т.е. когда ток намагничивания растет значительно быстрее рабочего магнитного потока.
Все вышеописанное вносит искажения в величину и фазу вторичного тока, создавая тем самым погрешность (именно величина тока намагничивания определяет точность работы ТТ). И, несмотря на то, что в релейных защитах точность траснформации имеет гораздо меньшее значение, чем в измерительной технике, погрешности могут быть настолько велики, что могут вызвать существенную задержку срабатывания устройств РЗА, а также их ложное действие или отказ. Это особенно актуально для дифференциальных защит, т.к. вместе с токами намагничивания ТТ возрастают и токи небаланса в схеме защиты. Также ситуацию может ухудшить применение промежуточных быстронасыщающихся трансформаторов тока.
Существует несколько способов борьбы с остаточной намагниченностью сердечника, как с одной из основных причин возникновения насыщения. Один из методов — применение трансформаторов тока с сердечниками без стали, обладающих линейными свойствами. Но использование таких трансформаторов тока может быть весьма ограниченным, в связи с небольшой мощностью вторичных обмоток. Второй метод (наиболее распостраненный) — изготовление сердечников из электротехнической стали, имеющих немагнитные зазоры. Этот метод по сравнению с использованием сердечников без стали позволяет конструировать сердечники меньшего сечения. Однако в России трансформаторы тока с такими сердечниками не выпускались и не выпускаются. Нужно отметить, что европейские производители успешно производят такие изделия в вполне приемлемых габаритах, размещая в корпусе трансформатора как обмотки с привычными нам классами точности, так и специализированные обмотки для работы РЗА в переходных процессах. Почему же сложилась такая ситуация? Наверное, отнюдь не потому, что российские конструкторы гораздо хуже европейских знают свое дело и не потому, что эксплуатирующие организации не желают располагать таким оборудованием.
Рассмотрим действующую нормативную базу, регламентирующую производство трансформаторов тока. Действующий сегодня ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общие технические условия» включает в себя два класса точности релейных защит — 5Р и 10Р (пределы допускаемых погрешностей — см. Таблицу 1). Ни в одном из этих классов не нормируется работа ТТ в переходных режимах — указанные в ГОСТ погрешности имеют место при нормальных режимах и токе предельной кратности (также в установившемся режиме).
Таблица 1. Пределы допускаемых погрешностей вторичных обмоток для защиты в установившемся режиме при номинальной вторичной нагрузке