Ръководство за изчисление на натоварването на инструменталния трансформатор за системи за защита на средно напрежение

Въведение

Изчисляването на натоварването е една от най-често неразбираемите - и с най-големи последствия - инженерни задачи при проектирането на защитни системи за средно напрежение. Всяко устройство, свързано към вторичната верига на CT или VT, добавя съпротивление и когато общото натоварване надвиши номиналната VA на трансформатора, точността се влошава, сърцевините се насищат, а защитните релета получават изкривени сигнали, които могат да причинят опасни грешки в работата.

Директният отговор: тежестта на инструменталния трансформатор е общият волт-ампер товар, наложен върху вторичната верига, и тя трябва винаги да остава в рамките на номиналната тежест на трансформатора, за да се гарантира съответствие с класа на точност и надеждно откриване на неизправности.

За електроинженерите и изпълнителите на EPC, които определят разпределителните устройства за средно напрежение, грешното определяне на тежестта не е незначителен проблем с калибрирането - това е отказ на надеждността на ниво система, който чака да се случи. Това ръководство представя пълната методология за изчисляване на натоварването, често срещаните капани и критериите за избор, за да се гарантира, че вашите CT и VT инсталации работят точно както са проектирани.

Съдържание

• Какво е натоварване на трансформатора на инструмента и как се определя?
• Как се изчислява тежестта на CT и VT стъпка по стъпка?
• Как натоварването влияе върху класа на точност и ефективността на защитата на CT?
• Кои са най-често срещаните грешки при изчисляване на натоварването в системите за средно напрежение?

Какво е натоварване на трансформатора на инструмента и как се определя?

Натоварването е общият външен импеданс - изразен в Волт-ампери (VA) или Ом (Ω) - свързан към вторичните клеми на инструментален трансформатор. Той представлява сумата от всички товари, които трансформаторът трябва да управлява, като поддържа номиналната си точност. За ТТ това включва всяко устройство и проводник във вторичния контур. За VT той включва всички паралелно свързани измервателни и защитни устройства.

Разбирането на тежестта започва с разбирането на двата начина, по които тя се изразява:

• VA Burden: Обща видима мощност, консумирана от вторичната верига при номинален вторичен ток или напрежение
• Импеданс натоварване (Ω): Общо съпротивление и реактивност на вторичната верига, използвани при подробни изчисления

Ключови технически параметри, определящи натоварването на КТ на IEC 61869-2¹:

• Оценка на тежестта: Максималната VA, която CT може да подаде, като поддържа посочения клас на точност (напр. 15VA, 30VA)
• Номинална стойност вторичен ток: Стандартни стойности 1А или 5А - импедансът на товара се увеличава с квадрата на тази стойност
• Клас на точност: 0.2, 0.5 за измерване; 5P, 10P за защита - всяка от тях има определен диапазон на натоварване
• Коефициент на мощност на натоварването: Обикновено 0,8 изоставане за клас на защита; 1,0 за резистивни товари
• Пределен фактор на номиналната точност (ALF): Обратна пропорционалност на действителната тежест - увеличава се с намаляването на тежестта
• Ниво на изолация: 12kV / 24kV / 36kV клас за приложения MV
• Термичен непрекъснат ток: ≥1.2× номинален първичен ток
• Разстояние на пълзене: ≥25mm/kV за стандартна вътрешна среда (IEC 60815)²

Важен, но често пренебрегван момент: тежестта не се определя само от релето. За това допринасят съпротивлението на вторичния кабел, съпротивлението на контактите на клемите и комбинираното съпротивление на всички последователно свързани устройства. Пренебрегването на тежестта на кабела е най-честата причина за нарушаване на класа на точност при полеви инсталации.

Как се изчислява тежестта на CT и VT стъпка по стъпка?

Изчисляването на тежестта следва структуриран процес. Тук е представена пълната методология, използвана за веригите на защита и измерване на СН.

Стъпка 1: Списък на всички устройства на вторичната верига

Идентифицирайте всяко устройство, свързано във вторичния контур на CT:

• Защитно реле (разстояние, свръхток, диференциално)
• Електромер или анализатор на качеството на електроенергията
• Преобразувател или предавател
• Амперметър (ако е приложимо)
• Заместваща КТ (ако е приложимо)

Стъпка 2: Получаване на VA или импеданс за всяко устройство

Всеки производител на устройства предоставя номинална стойност на натоварването при номинален вторичен ток. Преобразувайте всички стойности в импеданс (Ω) използване на:

$Z = \frac{VA}{I_s^2}$

Къде: $I_s$ е номиналният вторичен ток (1A или 5A).

Пример - вторична верига 5А:

Устройство	Номинално натоварване (VA)	Импеданс (Ω)
Реле за защита на разстоянието	1,0 VA	0.040 Ω
Реле за претоварване по ток	0,5 VA	0.020 Ω
Електромер	1,5 VA	0.060 Ω
Вторичен кабел (2× 30 м, 2,5 мм²)	—	0.432 Ω
Съпротивление на терминалния контакт	—	0.010 Ω
Обща тежест	—	0.562 Ω

Преобразувайте общия импеданс обратно във VA: $VA_{total} = Z_{total} \ пъти I_s^2 = 0,562 \ пъти 25 = 14,05\ VA$

Стъпка 3: Изчисляване на тежестта на кабелите

Съпротивлението на кабела се изчислява по следния начин:

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

Къде:

• $L$ = дължина на еднопосочния кабел (в метри)
• $\rho$ = съпротивление на медта = $0.0172\ \Omega \cdot mm^2/m$
• $A$ = площ на напречното сечение на кабела (mm²)

За 30 м еднопосочен пробег с 2,5 мм² мед: $R_{cable} = \frac{2 \times 30 \times 0.0172}{2.5} = 0,413\ \Омега$

Стъпка 4: Проверка спрямо номиналната тежест

Общата изчислена тежест трябва да отговаря на: $VA_{actual} \leq VA_{rated}$

Ако действителната тежест надвишава номиналната тежест, възможностите включват:

• Увеличаване на напречното сечение на кабела (намалява съпротивителната тежест)
• Посочете CT с по-висока номинална тежест
• Намаляване на броя на последователно свързаните устройства
• Преминаване от 5А към 1А вторично (намалява тежестта на кабела 25 пъти)

Стъпка 5: Проверка на ефективния ALF

Действителната ALF се променя в зависимост от натоварването. Връзката според IEC 61869-2 е:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \times \frac{VA_{rated} + VA_{internal}}{VA_{actual} + VA_{internal}}$

Къде: $VA_{internal}$ е вътрешната тежест на намотката на токоизправителя (от информационния лист). Тази стъпка е от решаващо значение за защита от разстояние и приложения за диференциална защита.

Сравнение на изчисляването на тежестта на CT и VT

Параметър	Изчисляване на тежестта на CT	Изчисляване на тежестта на VT
Топология на веригата	Цикъл на серията	Паралелна връзка
Изразяване на тежестта	VA или Ω (последователно съпротивление)	VA или Ω (паралелен импеданс)
Въздействие на кабела	Високото серийно съпротивление добавя директно	Ниска - преобладават паралелните товари
Вторичен стандарт	1A или 5A	100V или 110V
Основен риск	Насищане на ядрото от излишна тежест	Падане на напрежението и загуба на точност
Управляващ стандарт	IEC 61869-2	IEC 61869-33

Случай на клиент - неправилно изчисляване на натоварването в защитно табло на захранващ кабел 33 kV:
Мениджър по снабдяването във фирма за ЕРС в Северна Африка се обръща към нея, след като наскоро пуснатата в експлоатация система за защита на фидери 33kV показва постоянни грешки в точността на измерването на енергията - показанията са постоянно с 3-4% по-ниски. Разследването разкри, че вторичният кабел е бил 45 метра (по-дълъг от първоначално заложените в проекта 20 метра), което е добавило 0,62Ω неотчетено съпротивление. Инсталираният токоизправител е бил с номинална мощност 15VA, но действителното натоварване е достигнало 22VA, което е изтласкало токоизправителя извън неговия клас на точност 0,5. Bepto достави заместващи токоизправители с номинална мощност 30VA с подходящи спецификации и точността на измерване се върна в рамките на 0,2% - в рамките на изискванията за клас на фактуриране.

Как натоварването влияе върху класа на точност и ефективността на защитата на CT?

Връзката между натоварването и ефективността на компютърната томография не е линейна - това е прагов ефект. В рамките на номиналното натоварване КТ поддържа обявения си клас на точност. При надхвърляне на номиналната тежест грешките се увеличават бързо и при условия на повреда, насищане на ядрото настъпва по-рано, отколкото се предполага в спецификацията на ALF.

Конкретно за защитата от разстояние това има преки оперативни последици:

• Недостатъчно натоварване: Увеличава се ефективният ALF - като цяло е от полза, но входното съпротивление на релето все още трябва да се спазва
• При номинално натоварване: CT работи точно според спецификацията за клас на точност
• Свръхнатоварване (с номинал 110-150%): Композитната грешка надхвърля границата на класа; измерването се отчита неправилно
• Тежко свръхнатоварване (>150%): ядрото се насища при условия на неизправност⁴; защитното реле получава обрязана форма на вълната; изчисляването на импеданса е неуспешно; релето за разстояние може да не задейства зона 1

Въздействие върху надеждността на защитата според нивото на натоварване

Ниво на натоварване	Точност на измерването	Поведение на CT за защита	Разстояние Отговор на релето
<80% Rated	В рамките на класа	ALF ефективно по-висока	Надеждно пътуване в зона 1
80-100%	В рамките на класа	Съгласно спецификацията	Надеждно пътуване в зона 1
100-130%	Пределна грешка	Намалена ефективна ALF	Възможно забавяне на зона 1
>150%	Значителна грешка	Ранно насищане	Риск от неправилно функциониране

Практическа препоръка за приложения с критично значение за защитата: конструкция до 75-80% от максималната номинална тежест, като се запазва запасът за бъдещо добавяне на релета или пренасочване на кабели, което увеличава съпротивлението.

Случай на клиент - неправилно функциониране на защитата, причинено от прекомерна тежест:
Изпълнител на електроснабдителни услуги в Югоизточна Азия съобщава, че релето за дистанция на въздушна линия 22 kV постоянно не успява да отстрани близки повреди в рамките на времето на зона 1, като преминава към зона 2 (400 ms закъснение). Подробен анализ на пускането в експлоатация разкри, че вторичната верига на ТТ включва три релета, преобразувател и 38-метров кабелен участък - общо натоварване от 28VA срещу ТТ с номинал 15VA. Токоизправителят се насищаше при приблизително 8 пъти номиналния ток, което е доста под заложената в спецификацията 5P20 възможност за 20-кратно натоварване при номинално натоварване. Замяната с 30VA токоизправители Bepto 5P20 реши напълно проблема с времето в зона 1.

Кои са най-често срещаните грешки при изчисляване на натоварването в системите за средно напрежение?

Контролен списък за монтаж и пускане в експлоатация

1. Измерване на действителната дължина на кабела - никога не използвайте оценки на проектните чертежи за изчисляване на тежестта
2. Измерване на съпротивлението на проводника с омметър с ниско съпротивление преди включване под напрежение
3. Проверете действителната входна тежест на всяко реле от листа с данни на производителя - не от резюмета на каталози
4. Изчислете общата тежест при номинален вторичен ток преди да посочите CT VA рейтинг
5. Извършване на тест за вторично впръскване проверка на съотношението, полярността и точността на CT при въвеждане в експлоатация
6. Документиране на тежестта при построяване за бъдеща справка за поддръжка

Често срещани грешки, които влошават надеждността

• Пренебрегване на тежестта на кабела: При вторични вериги 5А 30-метрово кабелно трасе може да доведе до 8-15VA - често надхвърлящо натоварването на релето.
• Смесване на устройства 1A и 5A: Свързването на реле с номинал 5А към вторичен токоизправител с номинал 1А води до сериозно претоварване и потенциална повреда на релето.
• Ако приемем, че тежестта на релето е равна на общата тежест: Забравянето на измервателни уреди, преобразуватели и съпротивление на клемите е изключително често срещано явление
• Непреизчисляване на ALF след промени в тежестта: Добавянето на реле по време на обновяване на системата без повторна проверка на ефективната ALF е скрит риск за защитата.
• Използване на метода за изчисляване на тежестта на VT за CT: Серийна и паралелна топология - подходът за изчисление е коренно различен
• Пренебрегване на температурните ефекти: Устойчивост на медта се увеличава приблизително с 0,4% на °C⁵ - при инсталации с висока температура на околната среда натоварването на кабела при 60°C е измеримо по-високо, отколкото при 20°C

Заключение

Точното изчисляване на натоварването не е незадължително инженерно усъвършенстване - то е основно изискване за съответствие с класа на точност на измервателния трансформатор и надеждността на системата за защита в електроразпределението на средно напрежение. Основният извод: винаги изчислявайте общата вторична тежест, включително съпротивлението на кабела, проверявайте ефективната ALF за приложения за защита и проектирайте до максимум 75-80% от номиналната тежест на CT, за да поддържате надеждно откриване на неизправности. В Bepto Electric всеки CT, който доставяме, включва пълни спецификации на натоварването и стойности на съпротивлението на вътрешната намотка - давайки на инженерния ви екип всичко необходимо за извършване на точни изчисления на натоварването от първия ден.

Често задавани въпроси относно изчисляването на натоварването на инструменталния трансформатор

1. “IEC 61869-2:2012 Инструментални трансформатори. Част 2”, https://webstore.iec.ch/publication/5964. Определя техническите стандарти и параметри за токовите трансформатори. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: IEC 61869-2. ↩

2. “IEC TS 60815-1:2008 Избор и оразмеряване на изолатори за високо напрежение”, https://webstore.iec.ch/publication/3807. Определя изискванията за разстоянието на приплъзване за различни среди на замърсяване. Evidence role: general_support; Source type: standard. Подкрепя: ≥25mm/kV за стандартни вътрешни среди (IEC 60815). ↩

3. “IEC 61869-3:2011 Инструментални трансформатори. Част 3”, https://webstore.iec.ch/publication/5965. Международният стандарт, който регулира работата и натоварването на индуктивните трансформатори на напрежение. Evidence role: general_support; Source type: standard. Поддържа: IEC 61869-3. ↩

4. “Влияние на насищането на КТ върху защитата на разстоянието”, https://ieeexplore.ieee.org/document/4275376. Изследване на IEEE, анализиращо как прекомерната тежест води до ранно насищане на ядрото. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Подкрепя: ядрото се насища по време на условия на неизправност. ↩

5. “Електрическо съпротивление и проводимост”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity. Страница в Уикипедия, в която е описан температурният коефициент на съпротивлението на медта. Роля на доказателството: механизъм; Тип на източника: изследване. Поддържа: увеличава се приблизително с 0,4% на °C. ↩