Изчисляване на вторичната тежест на токовия трансформатор

Въведение

В системите за защита на средно напрежение дори перфектно специфицираният токов трансформатор може да не успее да подаде надеждни сигнали за повреда, ако вторичната тежест е неправилно изчислена. Вторичното натоварване - общият импеданс, свързан към вторичните клеми на токоизправителя - пряко определя дали токоизправителят ще запази точността си по време на неизправност, или ще се насити и ще изпрати повредени сигнали към релетата за защита. За електроинженерите, които проектират схеми за защита на средно напрежение, и за мениджърите по снабдяването, които доставят токозахранващи устройства за промишлени подстанции или захранващи устройства на електропреносната мрежа, неправилното изчисляване на натоварването е една от най-често срещаните, но и с най-големи последици грешки при спецификацията. Това ръководство предоставя структурирана, инженерна методология за изчисляване на вторичната тежест на токоизправителя, като обхваща всеки компонент на съпротивлението във вторичния контур, и превръща това изчисление в правилна спецификация на токоизправителя съгласно IEC 61869-2.

Съдържание

• Какво представлява вторичната тежест на КТ и какво включва тя?
• Как се изчислява общата вторична тежест стъпка по стъпка?
• Как вторичната тежест влияе на избора на КТ за защита на МВ?
• Кои са най-често срещаните грешки при изчисляване на натоварването в защитните вериги?

Какво представлява вторичната тежест на КТ и какво включва тя?

Вторичната тежест на CT е общо съпротивление (изразено във VA или Ω), подавано към вторичната намотка на ТТ от всички свързани устройства и проводници във вторичния контур. Това не е просто импедансът на бобината на релето - това е сумата от всички съпротивителни и реактивни елементи, през които трябва да премине вторичният ток.

На IEC 61869-2, . Номиналната тежест (Sₙ) на защитен токоизправител се определя при номинален вторичен ток¹ (обикновено 1А или 5А) и номинален фактор на мощността (обикновено cos φ = 0,8). ТТ трябва да поддържа класа си на точност до тази стойност на натоварването. Ако я надвишите, ефективният коефициент на АЛФ ще спадне - потенциално под изискването за ниво на неизправност на вашата система.

Компоненти на вторичната тежест на КТ

Общата вторична тежест се състои от четири отделни елемента:

• Натоварване на релето (S_relay): Консумацията на VA на всички свързани защитни релета - свръхток, земно съединение, диференциално, дистанционно. Съвременните цифрови защитни релета обикновено консумират 0,1-0,5VA на фаза²; електромеханичните релета могат да консумират 3-10VA
• Натоварване на кабела (R_cable): Съпротивление на вторичното окабеляване между клемите на CT и панела на релето - често най-големият компонент на единична тежест в полевите инсталации
• Съпротивление на клемния блок и свързване (R_terminal): Малък, но не незначителен при дълги вторични вериги; обикновено 0,01-0,05Ω на двойка клеми
• Съпротивление на вторичната намотка на CT (R_ct): Вътрешно съпротивление на намотката на самия токоизправител - не е част от външната тежест, но е от решаващо значение за изчисляването на ALF; измерен при 75°C по стандарт IEC³

Основни технически спецификации за потвърждаване

• Номинален вторичен ток: 1А или 5А - този избор се отразява драматично на натоварването на кабела (5А вторично произвежда 25× по-голям спад на напрежението в кабела, отколкото 1А при същото съпротивление)
• Изолационна система: Отляти от епоксидна смола, с номинално напрежение 12kV / 24kV / 36kV по IEC 61869
• Клас на точност: 5P или 10P за защитни вериги
• Номинален диапазон на натоварване: Стандартни стойности - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Работна температура: Клас E (120°C) или клас F (155°C)⁴ - влияе върху коефициента за корекция Rct

Как се изчислява общата вторична тежест стъпка по стъпка?

Стриктното изчисляване на вторичната тежест се извършва в четири стъпки. Всяка стъпка трябва да бъде завършена, преди да се финализира спецификацията на КТ - пропускането на която и да е стъпка води до риск от недостатъчна спецификация.

Стъпка 1: Определяне на тежестта на релето

Получете данни за консумацията на VA от листовете с данни на производителя на релетата за всяко свързано устройство:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Превръщане на VA в съпротивление при номинален вторичен ток:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Пример: Цифрово реле за свръхток = 0,3VA, реле за земно съединение = 0,2VA, общо = 0,5VA
При I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0,5}{25} = 0,02 , \Omega$
При I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0,5}{1} = 0,5 , \Omega$

Стъпка 2: Изчисляване на съпротивлението на кабела

Това е най-критичната стъпка в изчисленията, особено при инсталации, в които токоизправителите са разположени далеч от релейните табла:

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Къде:

• $L$ = дължина на еднопосочния кабел (в метри)
• $\rho$ = съпротивление на медта = 0,0175 Ω-mm²/m⁵ (при 20°C)
• $A$ = площ на напречното сечение на кабела (mm²)
• Фактор 2 отчита изходящите и обратните проводници.

Температурна корекция до 75°C:

$R_{кабел,75} = R_{кабел,20} \ пъти [1 + 0,00393 \ пъти (75 - 20)]$

$R_{кабел,75} = R_{кабел,20} \ пъти 1,216$

Пример: 30 м кабел, 2,5 мм² мед:
$R_{кабел,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0,42 , \Omega$
$R_{кабел,75} = 0,42 \ пъти 1,216 = 0,511 , \Omega$

Стъпка 3: Добавяне на съпротивление на клемите и връзките

За типична вторична верига с 6 двойки клемни блокове:

$R_{terminal} = 6 \ пъти 0,03 = 0,18 , \Omega$

Стъпка 4: Сумиране на общата външна тежест

$R_{burden,total} = R_{relay} + R_{кабел,75} + R_{terminal}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Преобразувайте във VA при номинален вторичен ток:

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \ пъти I_{2n}^2 = 0,549 \ пъти 25 = 13,7 , VA$

→ Посочете номиналната тежест на CT ≥ 15VA (следваща стандартна стойност над 13,7VA)

Сравнение на натоварването: вторични училища 1А и 5А

Параметър	1A Вторичен	5A Secondary
Устойчивост на кабела	Нисък (ефектът I² е минимален)	Висока (25 пъти по-голяма загуба на VA)
Натоварване на щафетата (VA→Ω)	По-висока Ω на VA	По-нисък Ω на VA
Препоръчителен пробег на кабела	Практически до 100 м	Поддържайте под 30 м в идеалния случай
Стандартен рейтинг на тежестта	2,5VA-15VA типично	10VA-30VA типично
Размер на ядрото	По-малко	По-голям
Приложение	Отдалечени инсталации, дълги кабелни трасета	Инсталации на местни панели

Основният извод: За CT инсталации на повече от 20 метра от релейното табло, 1A secondary е силно предпочитан - натоварването на кабела при 5А вторично може да консумира целия номинален бюджет на VA, преди релето дори да получи сигнал.

Казус на клиента - изпълнител на EPC за енергийни мрежи, подстанция 33kV:
Изпълнител на EPC в Южна Азия специфицира вторични токозахранващи устройства 5А за открита подстанция 33kV, където разпределителните кутии за токозахранващи устройства са разположени на 45 метра от главния релеен панел. Първоначалното изчисление на натоварването (само за релето) показа 8VA - в рамките на 15VA номинално натоварване. Въпреки това инженерът по приложението на Bepto преизчисли, като включи съпротивлението на кабела: 45 м × 2,5 мм² мед при 75 °C. 1,23Ω = 30,7VA на тежестта. Общото натоварване надхвърля 38VA - повече от два пъти повече от номиналната стойност на CT. Спецификацията беше преработена до 1А вторични токоизправители с 15VA номинална тежест, което реши проблема преди производството. Това единично изчисление предотвратява пълен отказ на системата за защита на захранващата мрежа под напрежение.

Как вторичната тежест влияе на избора на КТ за защита на МВ?

След като бъде изчислена общата вторична тежест, тя пряко определя три параметъра на спецификацията на CT: клас на номиналната тежест, избор на клас на точност и проверка на действителната ALF спрямо изискванията за ниво на неизправност на системата.

Стъпка 1: Изберете клас на натоварване

Винаги избирайте следващата стандартна стойност на тежестта над изчислената обща тежест:

• Изчислено натоварване = 13,7VA → Посочете 15VA
• Изчислено натоварване = 22VA → Посочете 30VA
• Никога не посочвайте CT с номинална тежест, равна на изчислената - това оставя нулев марж

Стъпка 2: Проверка на действителната ALF спрямо нивото на неизправност

При избрана номинална тежест проверете действителната ALF, като използвате:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \times \frac{R_{ct} + R_{burden,rated}}{R_{ct} + R_{burden,actual}}$

Осигуряване: $ALF_{actual} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \times 1.1$

Стъпка 3: Специфични за приложението препоръки за тежестта

• Индустриално разпределение на средно напрежение (6-12kV): 5A вторично, 15VA, клас 5P20 - къси кабелни трасета в компактни MCC панели
• Подстанция на електропреносната мрежа (33-36kV): 1A вторичен, 15VA, клас 5P30 - дълги кабелни трасета до отдалечени помещения с релета
• Събиране на средно напрежение от соларна ферма (33kV): 1A вторичен, 10VA, клас 10P10 - по-ниски нива на повреда, оптимизирани разходи
• Градски пръстен (12kV): 1A вторичен, 5VA, клас 5P20 - компактен епоксидно отлят CT, с ограничено пространство
• Морска / офшорна платформа: 1A вторичен, 10VA, клас 5P20, IP67 епоксидна капсула - корозивна среда

Въздействие върху надеждността на правилната спецификация на тежестта

• ✅ По време на повреда CT работи в линейна област → релето получава точен сигнал за ток на повреда
• ✅ Релето за защита се задейства в рамките на правилната характеристика на времето и тока
• ✅ Диференциалната защита поддържа стабилността при пробивни повреди
• ✅ Запазване на надеждността и времето за работа на системата в целия диапазон от нива на неизправност
• ❌ Прекалено натовареният CT се насища → релето не отчита достатъчно добре тока на повредата → забавено или неуспешно изключване
• ❌ Недостатъчно висока номинална тежест → намалена ефективна ALF → мъртва зона на защитата при високи кратни стойности на повредите

Кои са най-често срещаните грешки при изчисляване на натоварването в защитните вериги?

Контролен списък за инсталиране и проверка

1. Измерване на действителната дължина на кабела - използвайте чертежи в готов вид, а не проектни изчисления; маршрутът на място добавя 15-25% към изчислената дължина
2. Получаване на тежестта на релето от текущия лист с данни - не по памет или по спецификациите на предишни проекти; моделите на релета се различават значително
3. Прилагане на температурна корекция за Rct и съпротивлението на кабела - винаги изчислявайте при 75°C, а не при околна среда
4. Сметка за всички клемни блокове - особено при разпределителни павилиони с множество междинни клемореди
5. Проверка с измервателен уред по време на въвеждане в експлоатация - измерване на действителния импеданс на вторичния контур преди включване под напрежение
6. Проверка на паралелните връзки на релето - множество релета на един и същ вторичен CT намаляват общата тежест, но изискват индивидуална проверка

Често срещани грешки, които водят до неуспехи в защитата

• Използване на VA от табелката на релето без температурна корекция - съпротивлението на бобината на електромеханичното реле се увеличава значително при работна температура
• Пренебрегване на съпротивлението на обратния проводник - коефициентът 2 във формулата за кабела често се пропуска, което намалява наполовина изчислената тежест на кабела
• Ако приемем, че числената тежест на релето е равна на тежестта на електромеханичното реле - Цифровите релета консумират 10-50 пъти по-малко VA; прекомерното определяне на тежестта води до загуба на разходи, но недостатъчното определяне на замяната на старите релета води до грешки.
• Неизчисляване на тежестта след преместване на панела за релета - Промените в дължината на кабела по време на строителството са често срещани и трябва да доведат до преизчисляване на тежестта
• Определяне на тежестта на CT само въз основа на разстоянието до помещението с релето - забравяне на междинни разклонителни кутии, разпределителни киоски и тестови клемни блокове

Случай на клиент - мениджър по снабдяването, промишлен нефтохимически завод:
Мениджър по снабдяването в нефтохимическо предприятие в Близкия изток поръча заместващи токозахранващи устройства въз основа на първоначалната спецификация на проекта от 1995 г. - 5A вторично, 15VA, клас 5P20. Релейният панел е бил преместен по време на разширяването на завода през 2018 г., което е довело до удължаване на кабелните трасета от 12 м на 38 м. Никой не е преизчислил натоварването. След подмяната на токоизправителя защитата от свръхток на захранващия кабел на двигател 11 kV не успя да се задейства по време на междуфазно прекъсване, което доведе до повреда на намотката на двигателя. Анализът след инцидента разкри, че действителната тежест е била 28,4VA - почти два пъти по-голяма от номиналната стойност на 15VA CT. Сега Bepto осигурява безплатен преглед на изчисляването на тежестта като част от консултацията за замяна на CT, като се гарантира точността на спецификациите преди пускането на всяка поръчка.

Заключение

Изчисляването на вторичното натоварване на токоизправителя не е формалност - това е фундаментална инженерна стъпка, която определя дали цялата ви схема за защита на СН функционира правилно в условия на повреда. Чрез систематично отчитане на тежестта на релето, съпротивлението на кабела при работна температура, съпротивлението на клемния блок и проверка на резултата спрямо номиналната тежест на CT и изискванията за ALF, инженерите гарантират, че токовите трансформатори предоставят точни и надеждни сигнали, когато електроенергийната система се нуждае най-много от защита. За разпределителните мрежи, подстанциите и промишлените инсталации със средно напрежение правилното определяне на натоварването е в основата на надеждността на защитата.

Често задавани въпроси относно изчисляването на вторичната тежест на CT

1. “Част 2: Допълнителни изисквания за токовите трансформатори”.IEC 61869-2:2012 Инструментални трансформатори, https://webstore.iec.ch/publication/28612. Официален международен стандарт, определящ спецификациите за изпитване и оценяване на защитни токови трансформатори. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: номиналната тежест (Sₙ) на защитния токоизправител се определя при номиналния вторичен ток. ↩

2. “850 Система за защита на захранващите устройства”, https://www.gegridsolutions.com/multilin/catalog/850.htm. Технически спецификации за съвременни цифрови релета, показващи типични стойности на консумираната мощност. Роля на доказателството: статистическо; Вид на източника: индустрия. Поддържа: Съвременните цифрови защитни релета обикновено консумират 0,1-0,5VA на фаза. ↩

3. “IEC 61869-2:2012 Инструментални трансформатори. Част 2”, https://webstore.iec.ch/publication/28612. Стандартите IEC изискват измерване на съпротивлението при 75°C за изравняване на термичния клас. Роля на доказателство: стандарт; Тип на източника: стандарт. Подкрепя: измерва се при 75°C съгласно стандарта IEC. ↩

4. “IEC 60085:2007 Електрическа изолация - Топлинна оценка и обозначение”, https://webstore.iec.ch/publication/583. Определя стандартни топлинни класове, включително клас E (120°C) и клас F (155°C) за електроизолационни материали. Роля на доказателството: стандарт; Тип на източника: стандарт. Поддържа: Клас E (120°C) или клас F (155°C). ↩

5. “Електрическо съпротивление и проводимост”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity. База данни за свойствата на материалите, показваща стандартното електрическо съпротивление на медта при стайна температура. Роля на доказателството: статистическо; Тип източник: изследване. Подкрепа: съпротивление на медта = 0,0175 Ω-mm²/m. ↩