Трансформаторы тока должны обеспечивать достоверный учет электроэнергии на протяжении десятков лет. Как выбрать модель, декларируемые характеристики которой обеспечат, а скрытые качества не исказят точность измерений в течение длительной эксплуатации. Белорусские эксперты знакомят читателей со своим опытом проведения независимых испытаний и делают «предвыборный» анализ ТТ различных производителей.

Приборный недоучет
Последние годы коммерческий учет электроэнергии в распределительных сетях 0,4 кВ базировался на массовом использовании измерительных однофазных двухобмоточных трансформаторов тока (ТТ) класса 0,5 и индукционных трехэлементных электросчетчиков класса 2,0 (активной и/или реактивной энергии). Каждый счетчик токовыми (последовательными) цепями подключается через три однофазных ТТ, а цепями напряжения (параллельными) – непосредственно к соответствующим линиям низковольтной трехфазной четырехпроводной сети переменного тока (рис.1). В сетях напряжением выше 0,4 кВ дополнительно используются измерительные трансформаторы напряжения, к которым подсоединяются параллельные цепи счетчиков.
Гарантируемая точность измерений в реальных условиях применения указанных средств определяется пределом допускаемой относительной погрешности измерительного комплекса: счетчика с тремя ТТ. Составляющие этой погрешности – систематические и случайные основные токовые и угловые погрешности ТТ и счетчика, а также их дополнительные погрешности, обусловленные различными факторами.
Графики модуля максимальной относительной погрешности d измерительных комплексов в зависимости от отношения действительного первичного тока к номинальному (I₁/I_1н) для счетчиков и ТТ соответствующих классов точности приведены на рис.2. Составляющие погрешности рассчитаны исходя из фактических условий применения и с учетом влияющих величин (изменение напряжения – 5%; изменение температуры – 5ºС, изменение частоты – 1%, cos j = 0,8). При изменении в процессе эксплуатации точностных характеристик счетчиков и ТТ погрешность может возрасти до 10–15% (отрицательная погрешность индукционного счетчика ежегодно увеличивается на 1–1,5%).
В условиях спада и значительных колебаний нагрузки потребителей рассмотренный учет отличается большой погрешностью, что в целом приводит к приборному недоучету электроэнергии и росту коммерческих потерь. В районных электрических сетях (РЭС) часто фиксируются небалансы в 20% и более по электроэнергии, полученной на подстанциях РЭС по стороне высшего напряжения, и электроэнергии, отданной потребителям по стороне низшего напряжения. Иногда складывается парадоксальная ситуация: у потребителя работают маломощные электроустановки и освещение, а счетчики энергосистемы фиксируют нулевое потребление. По различным оценкам, доля коммерческих потерь электроэнергии, которая определяется приборным недоучетом (погрешностями измерительных средств, их неправильными выбором и эксплуатацией), достигает 25–30% всех коммерческих потерь.
С одной стороны, выход из сложившегося положения заключается в переходе от малочувствительных и неточных индукционных счетчиков к электронным и замене ТТ класса 0,5 (обеспечивают токовую погрешность 0,5% при 100–120% I_1н, 0,75% при 20–100% I_1н и 1,5% при 5–20% I_1н; при токе меньше 5% I_1н погрешность не нормируется) на ТТ класса 0,5S, которые обеспечивают более низкие пределы допускаемых погрешностей в большем диапазоне изменения первичного тока (токовая погрешность составляет 0,5% при 20–120% I_1н, 0,75% при 5–20% I_1н и 1,5% при 1–5% I_1н). С другой стороны, необходимо правильно выбирать модели ТТ и грамотно их эксплуатировать.

Выбор моделей
На современном рынке представлены десятки моделей ТТ, внесенных в Госреестр средств измерений. Все эти изделия соответствуют межгосударственному стандарту ГОСТ 7746-2001 «Трансформаторы тока. Общие технические условия», во многом близки по своим декларируемым техническим характеристикам, но, как показывают испытания и опыт эксплуатации, не равноценны в долговременной перспективе для экономичного, достоверного и точного учета электроэнергии в энергосистемах и у потребителей. Обычно в рекламной и технической документации изготовителей отсутствуют многие сведения и характеристики, которые нужны квалифицированному пользователю и могли бы существенно повлиять на выбор ТТ при их закупке для энергосистемы и потребителей.
К таким дополнительным сведениям, в частности, относятся:

• графики токовых и угловых погрешностей ТТ при различных значениях первичных токов и нагрузках вторичной цепи (они демонстрируют технологический запас по классу точности, тип погрешности – систематический или случайный, положительный или отрицательный, и тенденции изменения погрешностей);
• графики токовых и угловых погрешностей ТТ с учетом влияющих эксплуатационных факторов: намагничивания постоянным током, действия повышенной температуры внешней среды, вибрации, времени эксплуатации (одни из этих факторов могут способствовать хищению электроэнергии, а другие влияют на метрологические характеристики ТТ в длительной перспективе);
• потери электроэнергии в обмотках ТТ и в сердечнике на вихревые токи и перемагничивание (позволяют рассчитать суммарные технические потери электроэнергии на приборный учет по энергосистеме в целом).

Рис. 1: Схема подключения счетчика через ТТ	Рис. 2: Измерительные комплексы «Счетчик-ТТ»

Испытания ТТ
Испытания проводились согласно утвержденной программе для каждого представленного образца ТТ (всего 25 образцов четырех изготовителей из четырех стран) по четырем пунктам:

• определение токовых и угловых погрешностей в рабочих условиях применения во всем диапазоне изменения первичного тока: 1, 5, 20, 100, 120% I_1н;
• определение токовых и угловых погрешностей при изменении полной мощности нагрузки вторичной цепи S₂ в диапазоне 25; 50; 75; 100% от номинальной мощности S_2н при cos j = 0,8 и при S₂= 0;
• определение токовых и угловых погрешностей после разового намагничивания сердечника постоянным током через обмотку ТТ;
• проверка требований к конструкции ТТ (по монтажу, защите от несанкционированного доступа, маркировке и типу сердечника – всего 12 позиций).

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Примечания:

1. Номинальная вторичная нагрузка S_ном = 5 ВА при cos j = 0,8; Z_ном = 0,2 Ом.
2. Намагничивание производилось постоянным током 5А, подаваемым на первичную обмотку.

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Примечания:

1. Номинальная вторичная нагрузка S_ном = 5 ВА при cos j = 0,8; Z_ном = 0,2 Ом.
2. Намагничивание производилось постоянным током 5А, подаваемым на первичную обмотку.

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Примечания:

1. Номинальная вторичная нагрузка S_ном = 5 ВА при cos j = 0,8; Z_ном = 0,2 Ом.
2. Намагничивание производилось постоянным током 5А, подаваемым на первичную обмотку.

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Примечания:

1. Номинальная вторичная нагрузка S_ном = 5 ВА при cos j = 0,8; Z_ном = 0,2 Ом.
2. Намагничивание производилось постоянным током 5А, подаваемым на первичную обмотку.

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Примечания:

1. Номинальная вторичная нагрузка S_ном = 5 ВА при cos j = 0,8; Z_ном = 0,2 Ом.
2. Намагничивание производилось постоянным током 5А, подаваемым на первичную обмотку.

Результаты испытаний:
ПАРТИЯ 1: Т- 0,66 УЗ (Беларусь) – образцы соответствуют требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током погрешность возрастает в 2–2,5 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в области первичного тока I1 от 1% до 5–15% I1н для всех образцов, хотя величина превышения погрешности зависит от конкретного образца ТТ;
ПАРТИЯ 2: TAL-0,72 N3 (Литва) – образцы соответствуют требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током погрешность, как токовая, так и угловая (в первую очередь токовая), возрастает в 1,2–2,5 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в диапазоне первичного тока I1 от 1% до 15–50% I_1н для всех образцов (конкретная величина превышения погрешности зависит от образца ТТ);
ПАРТИЯ 3: Т- 0,66 УЗ (Россия) – образец соответствует требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током токовая погрешность возрастает в 2 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в области первичного тока I1 от 1% до 8% I1н ;
ПАРТИЯ 4: Т- 0,66 УЗ (Украина) – все образцы соответствуют требованиям ГОСТа и устойчивы к намагничиванию постоянным током.

Главный вывод по результатам испытаний:
Все представленные на испытания ТТ соответствуют требованиям ГОСТ 7746-2001 при отсутствии влияющих факторов. Только образцы украинской компании устойчивы к влияющему фактору намагничивания сердечника постоянным током, который в условиях эксплуатации может стать причиной недоучета электроэнергии, поскольку увеличивает в 2–2,5 раза отрицательную токовую погрешность измерительного ТТ в области нагрузки потребителя, составляющей меньше 50% от номинальной. Следует отметить, что устойчивость ТТ к намагничиванию постоянным током вытекает из свойств материала их сердечников – нанокристаллического сплава. Сердечники других ТТ, представленных на испытания, изготовлены из обычной магнитомягкой электротехнической кремнистой стали – сплава железа с кремнием (S_i < 4,8%).

В следующем номере будет опубликована заключительная часть статьи. В ней анализируется связь между погрешностями ТТ и свойствами их магнитопроводов, приводится словарик «магнитной терминологии», излагаются требования к монтажу и эксплуатации вторичных цепей трансформаторов тока.