Погрешности измерительных трансформаторов тока

исследования,
особенности,
рекомендации

Владимир Сопьяник, д.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ», г. Минск

Точность коммерческого учета электроэнергии в системе определяется работой измерительных трансформаторов тока (ТТ), напряжения (ТН) и электросчетчика. Повышение класса точности только одного элемента системы – электросчетчиков не даст желаемого эффекта. Необходимо также обеспечить соответствующую работу трансформаторов, в частности, трансформаторов тока.

Точность их работы характеризуется токовой (f_тт) и угловой (j_тт) погрешностями. Эти погрешности, в частности, рассматриваются в публикациях [1, 2], в которых исследуются и анализируются погрешности работы ТТ в системах учета электроэнергии. Чтобы оценить влияние первичных токов и вторичных нагрузок на токовые и угловые погрешности работы трансформаторов, были проведены метрологические исследования ТТ.

Исследования

Для изучения были выбраны трансформаторы тока типа ТОЛ-10-150/5 класса 0,5 (W₁ = 4 вит., W₂= 120 вит.) и типа ТЛМ-10-300/5 класса 0,5 (W₁= 2 вит., W₂ = 119 вит.).

Работы велись на метрологической установке при изменении первичного тока ТТ в пределах 1–120% Iном и номинальной вторичной нагрузке Z_ном при cos j = 0,8 и cos j = 1,0. Для оценки стабильности (систематичности) токовых и угловых погрешностей работы ТТ испытания проводились на одних и тех же образцах ТТ, но с разницей в один и более месяц.

На рис. 1 приведены кривые токовых погрешностей работы ТТ типа ТОЛ-10-150/5 в зависимости от величины первичного тока при номинальной вторичной нагрузке Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 0,8 и cos j = 1,0.

Токовые погрешности снимались:

• f₁ – при вторичной нагрузке Z_ном= 0,4 Ом, cos j = 0,8;
• f₂ – при таких же исходных данных, но на месяц позже;
• f₃ – при чисто активной номинальной вторичной нагрузке (cos j = 1,0);
• f₄ – при тех же исходных данных, что и токовая погрешность f₃, но на месяц позже.

Следует заметить, что все токовые погрешности ТТ типа ТОЛ-10-150/5 имеют отрицательный знак и величина их зависит как от значений первичного тока, так и от величины и активно-индуктивного характера вторичной нагрузки, т.е. f_тт = j (I₁ , Z_нагр ). Анализ кривых токовых погрешностей показывает, что токовая погрешность ТТ минимальна при чисто активной вторичной нагрузке.

Рис. 1. Токовые погрешности ТТ типа ТОЛ-10-150/5

Рис. 2. Токовые погрешности ТТ типа ТЛМ-10-300/5

На рис. 2 приведены кривые токовых погрешностей работы ТТ типа ТЛМ-10-300/5 в зависимости от величины первичного тока при номинальной вторичной нагрузке Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 0,8 и cos j = 1,0. ТТ ТЛМ-10-300/5 имеет коррекцию по виткам вторичной обмотки (отмотка на один виток от номинального значения). Токовые погрешности снимались:

• f₁ – при вторичной нагрузке Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 0,8;
• f₂ – при тех же исходных данных, что и f₁, но на месяц позже;
• f₃ – при чисто активной вторичной нагрузке (Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 1,0).

Из рис. 2 видно, что токовая погрешность ТТ типа ТЛМ-10-300/5 при малых первичных токах (порядка 1–25% Iном ) имеет отрицательный знак, по мере увеличения первичного тока она уменьшается и становится равной нулю, а затем с ростом первичного тока она увеличивается и становится положительной. (Некоторое несовпадение на рисунке 2 характеристик токовых погрешностей (f₁, f₂) можно объяснить неточностью задания значений первичных токов).

Рис. 3. Угловые погрешности ТТ типа ТОЛ-10-150/5

Рис. 4. Угловые погрешности ТТ типа ТЛМ-10-300/5

На рис. 3, 4 приведены кривые угловых погрешностей работы ТТ типа ТОЛ-10-150/5 (рис. 3) и ТЛМ-10-300/5 (рис. 4) при тех же первичных токах и вторичных нагрузках (Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 0,8 и cos j = 1,0). Из рис. 3, 4 видно, что угловые погрешности ТТ максимальны при чисто активной вторичной нагрузке (Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 1,0) и почти на 40–50% меньше при активно-индуктивной вторичной нагрузке (Z_ном = 0,4 Ом, cos j = 0,8).

Как угловые, так и токовые погрешности работы ТТ носят систематический характер и зависят от величины протекающего первичного тока, от величины вторичной нагрузки и ее активно-индуктивного характера.

Итоги

ТТ могут иметь как отрицательные, так и положительные значения токовых погрешностей работы, как показали их метрологические испытания, проведенные в широком диапазоне изменения первичных токов и вторичных нагрузок. Зависимость токовой погрешности работы ТТ можно выразить следующим образом:

Токовая погрешность обусловлена потерями в стали ТТ, намагничиванием сердечника при трансформации первичного тока во вторичную цепь и величиной вторичной нагрузки. Если витковый коэффициент трансформации ТТ k_вит = W₂ / W₁ равен коэффициенту трансформации n_н = I_1н / I_2н, то токовая погрешность ТТ всегда отрицательная [3].

Если же k_вит меньше nн из-за витковой коррекции вторичной обмотки (уменьшение числа ее витков отмоткой 1-2 витков от номинального значения), то токовая погрешность ТТ в зависимости от величины первичного тока может быть как отрицательной, так и положительной.

Отрицательная токовая погрешность наблюдается при малых первичных токах ТТ, когда ток, расходуемый на намагничивание и потери в стали, превышает часть увеличения вторичного тока, вызванную отмоткой витков вторичной обмотки ТТ.

По мере увеличения первичного тока ТТ отрицательная токовая погрешность уменьшается до нуля, а затем становится положительной. Дальнейшее увеличение первичного тока приводит к росту вторичного тока за счет коррекции вторичной обмотки и росту положительной токовой погрешности ТТ. На указанные процессы в ТТ влияет величина вторичной нагрузки и ее активно-индуктивный характер.

Заметим, что отрицательная токовая погрешность ТТ обуславливает недоучет выработанной производителем электрической энергии при использовании традиционных систем учета электрической энергии. Токовая погрешность ТТ зависит от величины протекающего первичного тока, вторичной нагрузки и ее активно-индуктивного характера, т.е. f_тт = j ( I₁, Z_нагр ). Если погрешности работы измерительных ТТ и ТН носят систематический характер, то для повышения точности учета электроэнергии их следует знать и учитывать в алгоритмах расчета и учета АСКУЭ, корректируя значения измеренных токов и напряжений. Это снизит недоучет отпускаемой электроэнергии и метрологические потери энергосистем.

Такая коррекция в АСКУЭ сделает излишними требования в части повышения класса точности ТТ, используемых в системах учета электроэнергии. При этом может быть получен значительный экономический эффект как за счет повышения точности работы АСКУЭ, так и за счет того, что отпадает необходимость менять имеющиеся ТТ на аппараты с повышенным классом точности.

Токовые и угловые погрешности работы ТТ включают как систематическую (основную), так и случайные составляющие, обусловленные нагреванием магнитопровода, магнитным полем соседних магнитопроводов, и другие, существенно не влияющие на точность работы ТТ.

Погрешности при снижении потребления

Уменьшение потребления электрической энергии приводит к снижению первичных токов в ТТ до нескольких процентов номинального, что в свою очередь ведет к значительному увеличению токовых, угловых погрешностей его работы при малых первичных токах. В результате увеличиваются недоучет отпущенной энергии и коммерческие потери энергетиков. Пути уменьшения влияния погрешностей работы ТТ на коммерческий учет электроэнергии АСКУЭ изложены выше.

Повысить точность коммерческого учета электроэнергии индукционными счетчиками при снижении потребления можно заменой экс-плуатируемых трансформаторов на ТТ с меньшим номинальным первичным током или установкой новых ТТ класса 0,2S либо 0,5S с меньшими погрешностями работы при малых первичных токах [2].

Следует заметить, что более низкая, чем у ТТ, изготовленных на базе электротехнической стали, индукция насыщения ТТ классов 0,2S и 0,5S, выполненных на основе аморфного сплава, станет препятствием для использования их в схемах РЗА.

Практические рекомендации

• При работе с системами коммерческого учета электроэнергии, необходимо учитывать, что снижение первичного тока в пределах
• 1–20% I_ном значительно повышает как токовую, так и угловую погрешности работы трансформатора.
• Увеличение cos j вторичной нагрузки ТТ уменьшает токовую и увеличивает угловую погрешности. В системах учета вторичная нагрузка измерительных ТТ не должна превышать номинальную.
• Метрологическую поверку измерительных ТТ целесообразно проводить при 1, 5, 10, 20, 50, 100, 120% I_ном и реальной вторичной нагрузке. Акты метрологической поверки должны содержать значения токовых и угловых погрешностей работы ТТ.
• ТТ с коррекцией по виткам вторичной обмотки (с отмоткой витков) при первичных токах в пределах 1–20% I_ном обладают отрицательной токовой погрешностью, а при токах 20–30% I_ном она равна или близка к нулю. При первичных токах 50–100% I_ном токовая погрешность положительная. ТТ без витковой коррекции при активно-индуктивной вторичной нагрузке всегда имеют отрицательную токовую погрешность.

Литература

1. Раскулов Р.Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока // Электрические станции. – 2003. – № 7. – С. 43–45.
2. Раскулов Р.Ф. О превышении мощности вторичной нагрузки для трансформаторов тока классов точности 0,2S и 0,5S // Электрические станции. – 2003. – № 8. – С. 59–62.
3. Сопьяник В.Х. Расчет и анализ переходных и установившихся процессов в трансформаторах тока и токовых цепях РЗ // Электрические станции. – 2004. – № 2. – С.48–52.