 |
ВСТРОЕННЫЕ
ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА
Точность учета
и требования ПУЭ
| 
Алексей Аничкин,
инженер-конструктор | 
Радик Раскулов,
главный метролог | | ОАО «Свердловский завод трансформаторов
тока», г. Екатеринбург |
В последнее время в связи с модернизацией и созданием новых
систем коммерческого учета электроэнергии происходит активная
замена трансформаторов тока (ТТ) на новые, более высоких классов
точности.
Требования к ТТ, сформулированные в действующих нормативных
документах, метрологических правилах и нормах учета электроэнергии, во многом не соответствуют современным условиям, что в нашем
журнале уже отмечали уральские авторы [1]. Сегодня они продолжают
начатую тему.
настоящее время выбор ТТ по коэффициенту трансформации
производится согласно главе 1.5 ПУЭ, которая осталась непереработанной в соответствии с современными требованиями.
В ПУЭ сформулировано требование к выбору ТТ для учета
электроэнергии: «Допускается применение ТТ с завышенным коэффициентом трансформации (по условиям электродинамической
стойкости и термической стойкости или защиты шин), если при
максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке ТТ
будет составлять не менее 40 % номинального тока счетчика, а при
минимальной рабочей нагрузке – не менее 5 %».
Наибольшие проблемы вызывает требование по минимальной
нагрузке 5 %. При замене ТТ для повышения точности учета данное
требование нередко невозможно реализовать. Как правило, требуется
установить ТТ на меньший номинальный первичный ток, рассчитанный на прежние токи КЗ, что в большинстве случаев невозможно.
Данное требование по минимальному току во вторичной обмотке
не менее 5 % устарело, так как не учитывает следующие моменты:
1. Сейчас широко применяются счетчики электроэнергии классов
точности 0,5S и 0,2S, для которых в соответствии со стандартом
[2] нижняя граница тока составляет 1 % Iном;
2. Для коммерческого учета применяются ТТ классов точности 0,5S
и 0,2S, у которых при 1 % номинального первичного тока пределы
допускаемой погрешности согласно стандарту [3] такие же, как
при 5 % для ТТ классов точности 0,5 и 0,2 соответственно.
Этот пункт ПУЭ необходимо изменить и сформулировать так:
«… при минимальной рабочей нагрузке – не менее 5 % для ТТ классов
точности 0,2; 0,5 и 1; не менее 1 % для ТТ классов точности 0,2S и
0,5S». Формулы для расчета погрешностей ТТ [4] можно преобразовать в следующем виде:
Из формул (1) и (2) видно, что погрешности ТТ зависят как от
влияния внешних параметров сети, так и от конструктивных особенностей ТТ.
ЗАВИСИМОСТЬ ОТ КОНСТРУКЦИИ ТТ
Факторы, определяемые конструкцией ТТ по степени их влияния
на погрешности, можно расположить в такой последовательности:
1. Произведение номинального первичного тока I1н на число
первичных витков W1 (первичная МДС F1н) входит в знаменатель выражений для погрешностей ТТ (1) и (2) в степени 1 + g и в знаменатель
выражения для угла y (5) в степени l. При увеличении первичного
номинального тока I1н и числа первичных витков W1 токовая и угловая
погрешности уменьшаются. Эти два параметра оказывают наибольшее влияние на погрешности ТТ. Поэтому при проектировании ТТ
стремятся увеличить число первичных витков.
В шинных и встроенных ТТ невозможно добиться высокого класса
точности для малых номинальных первичных токов. Это связано с
тем, что эти ТТ представляют собой одновитковую конструкцию
(первичной обмоткой является высоковольтный ввод или шина), в
которой первичная МДС F1н численно равна первичному току.
2. Материал магнитопровода определяет коэффициент KF и показатель степени g, входящие в формулы (1) и (2), коэффициент Ky и
показатель степени l, входящие в выражение (5) для угла потерь Y.
При применении материалов с низкими потерями (аморфных и
нанокристаллических сплавов) эти коэффициенты меньше, чем у
электротехнической стали. Например, для диапазона индукции Вм от
0,2 до 0,6 Тл у аморфного сплава коэффициенты KF = 2,35; g = 0,36, у
электротехнической стали марки 3405 KF = 22; g = 0,9.
Применение аморфных сплавов для встроенных ТТ позволяет
добиться снижения токовой и угловой погрешности и получения
высоких классов точности, но только при относительно высоких
первичных токах (200–300 А).
3. Средняя длина магнитного пути магнитопровода Lср входит в
числитель выражений (1) и (2) для расчета погрешностей ТТ, и поэтому при увеличении средней длины магнитного пути Lср погрешности ТТ возрастают. При увеличении класса напряжения ТТ для обеспечения
электрической прочности изоляции увеличивается внутренний диаметр магнитопровода и соответственно средняя длина магнитного пути Lср, что приводит к увеличению погрешностей ТТ. У встроенных ТТ
средняя длина магнитного пути Lср определяется диаметром ввода, на
который монтируется ТТ. Поэтому у встроенных ТТ с увеличением
класса напряжения ввода внутренний диаметр магнитопровода ТТ
возрастает, что приводит к увеличению средней длины магнитного
пути Lср и к возрастанию погрешностей.
Активное сечение магнитопровода Sм входит в знаменатель
выражений (1) и (2) для расчета погрешностей ТТ в степени g и в знаменатель выражения (5) для угла Y в степени l. При увеличении сечения магнитопровода Sм погрешности ТТ уменьшаются. Но влияние этого параметра меньше, чем влияние средней длины магнитного
пути магнитопровода Lср.
5. Активное R2 и индуктивное X2 сопротивления вторичной
обмотки входят в выражение (3) для расчета сопротивления Z2, а сопротивление Z2 входит в числитель выражений (1) и (2) для расчета
погрешностей ТТ в степени g и в числитель выражения для угла Y (5) в
степени l. Активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки входят также в выражение (4) для расчета угла a. При увеличении
активного сопротивления обмоток, например, при применении более
тонкого обмоточного провода, погрешности увеличиваются.
6. Номинальный вторичный ток I2н входит в степени 2 g в числители выражений (1) и (2) для расчета погрешностей ТТ и в числитель
выражения (5) в степени 2l для угла Y. При уменьшении номинального вторичного тока I2н погрешности ТТ уменьшаются. Однако уменьшение номинального вторичного тока I2н влечет за собой увеличение
числа вторичных витков W2 и вызывает увеличение сопротивления
R2 вторичной обмотки и соответственно увеличение погрешностей.
Поэтому влияние I2н на погрешности ТТ незначительно.
ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ
Наибольшее влияние на погрешности ТТ оказывают следующие
внешние факторы:
– Кратность первичного тока Кi. При уменьшении Кi токовая и
угловая погрешности возрастают. Возрастание погрешностей
нелинейное вследствие нелинейной зависимости коэффициентов
KF, KY, g и l от индукции в магнитопроводе;
– Мощность (сопротивление) вторичной нагрузки Zн. При увеличении вторичной нагрузки более номинальной погрешности ТТ
возрастают.
Уменьшение вторичной нагрузки Zн согласно формулам (1) и
(2) далеко не всегда дает значительное уменьшение погрешностей
встроенных или шинных ТТ. Так, при уменьшении вторичной нав 1,5 раза, при уменьшении в три раза – соответственно в 2 раза.
Следовательно, для встроенных ТТ при малом первичном токе
(менее 150 А) снижение вторичной нагрузки малоэффективно.
Кроме того, значительное снижение мощности вторичной нагрузки не всегда возможно, т. к. расстояние от встроенного ТТ до
счетчика может составлять сотни метров и сопротивление кабеля
будет значительным.
Как видно из формул (1) и (2), наиболее эффективным способом
уменьшения погрешностей одновитковых ТТ является увеличение
номинального первичного тока I1н: токовые и угловые погрешности
уменьшаются в степени 1 + g.
При уменьшении номинального первичного тока I1н токовые и
угловые погрешности резко возрастают. Например, при уменьшении
номинального первичного тока ТТ в два раза токовая погрешность
возрастает приблизительно в три раза, при уменьшении номинального
первичного тока в три раза – соответственно в шесть раз для одного
и того же тока, протекающего в первичной цепи.
В настоящее время требуются встроенные ТТ с малыми первичными токами высокого класса точности. Выходом из положения может
стать применение многовитковых опорных ТТ. Но это не всегда возможно, особенно если идет речь о реконструкции подстанции, где
нет свободного места.
НЕСКОЛЬКО ПРИМЕРОВ
Наилучшим решением является применение ТТ классов точности 0,2S и 0,5S, для которых стандартом [3] задаются пределы
допускаемой погрешности в диапазоне от 1 до 120 % номинального
первичного тока.
Например, для ТТ с номинальным первичным током 600 А класса
точности 0,5S (или 0,2S) диапазон первичного тока составляет от 6 А
(1 %) до 720 А (120 %). Поэтому устанавливать ТТ с низким номинальным первичным током нет необходимости, т. к. диапазон первичного
тока для ТТ классов точности 0,2S и 0,5S очень широк.
Необходимо, чтобы реально протекающие по сети токи входили
в допускаемый для ТТ диапазон. Если диапазон тока, протекающего
по сети, составляет 5–100 А, то не обязательно устанавливать ТТ с
номинальным первичным током 100 А. По метрологическим характеристикам подойдут ТТ с номинальным первичным током от 200 до
500 А, которые к тому же способны выдержать большие токи КЗ.
На рис. 1–4 приведены расчетные погрешности в зависимости
от первичного тока для однотипных встроенных ТТ с одинаковыми
вторичными нагрузками, но для ответвлений вторичной обмотки с
разными коэффициентами трансформации. Все ТТ с мощностью
вторичной нагрузки 30 В·А. Из рис. 1–4 видно, что увеличение номинального первичного тока для однотипных встроенных ТТ приводит
к уменьшению токовой и угловой погрешности во всем диапазоне
первичного тока в сравнении с тем же встроенным ТТ, но с меньшим
номинальным первичным током.
Так, класс точности ТТ типа ТВ-35-II-4 на ответвлении 100/5
составляет 1, а на ответвлении 300/5 А – 0,2S при одинаковой мощности вторичной нагрузки. Класс точности ТВ-35-VI на ответвлении
200/5 – 1, а на ответвлении 600/5 – 0,2S при одинаковой мощности
вторичной нагрузки.
На рис. 5–8 приведены погрешности, соответствующие классу
точности 0,2S для номинального первичного тока 100 А (рис. 5
и 6) и 200 А (рис. 7 и 8), а также погрешности встроенных ТТ
типа ТВ-35-II-4 с номинальным первичным током 300 А (рис. 5
и 6) и ТВ-35-VI с номинальным первичным током 600 А (рис. 7
и 8). Видно, что токовые и угловые погрешности встроенных ТТ
ТВ-35-II-4 на номинальные первичные токи 300 А (рис. 5 и 6) и
ТВ-35-VI на номинальные первичные токи 600 А (рис. 7 и 8) лежат
в областях допускаемых токовых и угловых погрешностей для
класса точности 0,2S для токов 100 А и 200 А во всем диапазоне
первичных токов.
А это означает, что требование пункта 1.5.17 ПУЭ о 5 % первичного
тока не только не позволяет повышать точность учета электрической
энергии, но и, наоборот, уменьшает такую возможность.
ВЫВОДЫ
1. При выборе ТТ для учета электроэнергии необходимо выбирать
коэффициент трансформации ТТ таким, чтобы при минимальной
рабочей нагрузке ток во вторичной цепи ТТ был не менее 1 % номинального для ТТ классов точности 0,5S и 0,2S и не менее 5 % для
ТТ классов точности 0,2; 0,5 и 1. Этот вывод справедлив для любых
типов ТТ.
2. Применение встроенных ТТ с завышенным номинальным
первичным током позволяет обеспечить высокоточный учет электрической энергии, т. к. погрешности встроенных однотипных ТТ с
повышением номинального первичного тока уменьшаются.
3. Изготовление встроенных ТТ классов точности 0,2S и 0,5S
на первичные токи 100–150 А, а в некоторых случаях и 200–300 А,
технически не всегда возможно.
4. Применение встроенных ТТ с завышенным номинальным первичным током позволяет уменьшить затраты при создании АИИС
КУЭ, так как стоимость встроенных ТТ класса напряжения 35–220
кВ существенно ниже, чем опорных высоковольтных ТТ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Раскулов Р.Ф., Эткинд Л.Л. Требования к испытаниям измерительных трансформаторов. Пора устранить несогласованность //
Новости ЭлектроТехники. 2006. № 1(37).
2. ГОСТ Р 52323-2005 (МЭК 62053-22:2003). Статические счетчики
активной энергии классов точности 0,2S и 0,5S.
3. ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические
условия.
4. Афанасьев В.В. и др. Трансформаторы тока. Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1989.
| 
|
