Berekening secundaire belasting stroomtransformator

Inleiding

In middenspanningsbeveiligingssystemen kan zelfs een perfect gespecificeerde stroomtransformator er niet in slagen om betrouwbare storingsmeldingen te leveren als de secundaire belasting verkeerd berekend is. Secundaire belasting - de totale impedantie die is aangesloten op de secundaire klemmen van de CT - bepaalt rechtstreeks of uw CT de nauwkeurigheid behoudt tijdens storingen, of verzadigd raakt en beschadigde signalen naar uw beveiligingsrelais stuurt. Voor elektrotechnische ingenieurs die MV-beveiligingsschema's ontwerpen en inkoopmanagers die CT's inkopen voor industriële onderstations of netvoedingen, is een onjuiste berekening van de belasting een van de meest voorkomende, maar ook meest ingrijpende specificatiefouten in het veld. Deze handleiding biedt een gestructureerde, engineering-grade methodologie voor het berekenen van de secundaire belasting van CT's, waarbij elke weerstandscomponent in de secundaire lus wordt meegenomen en die berekening wordt omgezet in een correcte CT-specificatie volgens IEC 61869-2.

Inhoudsopgave

• Wat is CT secundaire belasting en wat houdt die in?
• Hoe bereken je stap voor stap de totale secundaire belasting?
• Hoe beïnvloedt secundaire belasting de CT-selectie voor MV-bescherming?
• Wat zijn de meest voorkomende rekenfouten in beveiligingscircuits?

Wat is CT secundaire belasting en wat houdt die in?

De secundaire last van CT is de totale impedantie (uitgedrukt in VA of Ω) aangeboden aan de secundaire wikkeling van de CT door alle aangesloten apparaten en geleiders in de secundaire lus. Het is niet simpelweg de impedantie van de relaisspoel - het is de som van alle weerstanden en reactieve elementen waar de secundaire stroom doorheen moet.

Per IEC 61869-2, de nominale belasting (Sₙ) van een beveiligings-TC is gedefinieerd bij nominale secundaire stroom¹ (meestal 1A of 5A) en nominale vermogensfactor (meestal cos φ = 0,8). De CT moet zijn nauwkeurigheidsklasse behouden tot deze belastingswaarde. Als deze wordt overschreden, daalt de effectieve ALF - mogelijk tot onder het vereiste foutniveau van uw systeem.

Componenten van secundaire CT-lasten

De totale secundaire last bestaat uit vier verschillende elementen:

• Relaisbelasting (S_relay): Het VA-verbruik van alle aangesloten beveiligingsrelais - overstroom, aardlek, differentieel, afstand. Moderne numerieke beveiligingsrelais verbruiken gewoonlijk 0,1-0,5VA per fase.²; elektromechanische relais kunnen 3-10VA verbruiken
• Kabelbelasting (R_kabel): Weerstand van de secundaire bedrading tussen CT-klemmen en relaispaneel - vaak de grootste lastcomponent in veldinstallaties
• Aansluitblok en aansluitweerstand (R_terminal): Klein maar niet verwaarloosbaar in lange secundaire ketens; meestal 0,01-0,05Ω per klemmenblokpaar
• CT secundaire wikkelingsweerstand (R_ct): Interne wikkelweerstand van de CT zelf - maakt geen deel uit van de externe belasting, maar is cruciaal voor de ALF-berekening; gemeten bij 75°C volgens IEC-standaard³

Belangrijke technische specificaties om te bevestigen

• Nominale secundaire stroom: 1A of 5A - deze keuze heeft een dramatisch effect op de kabelbelasting (5A secundair produceert 25× meer spanningsval op de kabel dan 1A voor dezelfde weerstand)
• Isolatiesysteem: Epoxyhars gegoten, nominaal 12kV / 24kV / 36kV volgens IEC 61869
• Nauwkeurigheidsklasse: 5P of 10P voor beveiligingscircuits
• Nominale belastingbereik: Standaardwaarden - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Bedrijfstemperatuur: Klasse E (120°C) of klasse F (155°C)⁴ - beïnvloedt Rct-correctiefactor

Hoe bereken je stap voor stap de totale secundaire belasting?

Een rigoureuze secundaire lastberekening volgt een proces van vier stappen. Elke stap moet worden voltooid voordat de CT-specificatie definitief wordt - als er een stap wordt overgeslagen, bestaat het risico van onderspecificatie.

Stap 1: Relaybelasting bepalen

Haal het VA-verbruik voor elk aangesloten apparaat uit de datasheets van de fabrikant van de relais:

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

Zet VA om in weerstand bij nominale secundaire stroom:

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

Voorbeeld: Numeriek overstroomrelais = 0,3VA, aardlekrelais = 0,2VA, totaal = 0,5VA
Bij I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
Bij I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Stap 2: Kabelweerstand berekenen

Dit is de meest kritieke berekeningsstap, vooral voor installaties waar CT's zich ver van relaispanelen bevinden:

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

Waar:

• $L$ = lengte eenrichtingskabel (meter)
• $\rho$ = weerstand van koper = 0,0175 Ω-mm²/m⁵ (bij 20°C)
• $A$ = kabeldoorsnede (mm²)
• Factor 2 rekening houdt met zowel uitgaande als retour geleiders

Temperatuurcorrectie tot 75°C:

$R_{kabel,75} = R_{kabel,20} \times [1 + 0.00393 \times (75 - 20)]$

$R_{kabel,75} = R_{kabel,20} \maal 1,216$

Voorbeeld: Kabel van 30 m, 2,5 mm² koper:
$R_{kabel,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0.42 , \Omega$
$R_{kabel,75} = 0,42 \times 1,216 = 0,511 , \Omega$

Stap 3: Aansluitklem en verbindingsweerstand toevoegen

Voor een typisch secundair circuit met 6 klemmenblokparen:

$R_{terminal} = 6 \times 0.03 = 0.18 , \Omega$

Stap 4: Totale externe last optellen

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

$R_{belasting,totaal} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Converteer naar VA bij nominale secundaire stroom:

$S_{belasting,totaal} = R_{belasting,totaal} \maal I_{2n}^2 = 0,549 maal 25 = 13,7 , VA$

→ Geef CT nominale belasting ≥ 15VA op (volgende standaardwaarde boven 13,7VA)

Lastenvergelijking: 1A vs 5A Secundair

Parameter	1A Secundair	5A Secundair
Kabelweerstand Impact	Laag (I²-effect minimaal)	Hoog (25× meer VA-verlies)
Relaisbelasting (VA→Ω)	Hogere Ω per VA	Lagere Ω per VA
Aanbevolen kabelloop	Praktisch tot 100 m	Idealiter onder 30m houden
Standaard belastingsclassificatie	2,5VA-15VA typisch	10VA-30VA typisch
Kerngrootte	Kleiner	Groter
Toepassing	Afgelegen installaties, lange kabeltrajecten	Lokale paneelinstallaties

De belangrijkste conclusie: Voor CT-installaties op meer dan 20 meter van het relaispaneel, 1A secundair heeft sterke voorkeur - Kabelbelasting bij 5 A secundair kan het volledige nominale VA-budget verbruiken voordat het relais zelfs maar een signaal ontvangt.

Klantcase - EPC-aannemer voor energienetwerken, 33kV Substation:
Een EPC-aannemer in Zuid-Azië specificeerde 5A secundaire CT's voor een 33kV substation in de buitenlucht waar CT-verzamelboxen zich op 45 meter van het hoofdrelaispaneel bevonden. De eerste berekening van de belasting (alleen relais) gaf 8VA aan - ruim binnen de nominale belasting van 15VA. De application engineer van Bepto berekende de belasting echter opnieuw, inclusief de kabelweerstand: 45 m × 2,5 mm² koper bij 75°C toegevoegd 1,23Ω = 30,7VA aan de belasting. De totale belasting bedroeg meer dan 38VA - meer dan het dubbele van de CT-waarde. De specificatie werd herzien naar 1A secundaire CT's met een belasting van 15VA, waarmee het probleem al voor de productie was opgelost. Deze enkele berekening voorkwam een volledige uitval van het beveiligingssysteem op een stroomvoerende netvoeding.

Hoe beïnvloedt secundaire belasting de CT-selectie voor MV-bescherming?

Zodra de totale secundaire belasting is berekend, stuurt dit direct drie CT-specificatieparameters aan: nominale belastingklasse, selectie van nauwkeurigheidsklasse en de verificatie van de werkelijke ALF ten opzichte van de vereisten voor het systeemfoutenniveau.

Stap 1: Nominale belastingsklasse selecteren

Selecteer altijd de volgende standaardlastwaarde boven je berekende totale last:

• Berekende belasting = 13,7VA → Specificeer 15VA
• Berekende belasting = 22VA → Specificeer 30VA
• Geef nooit een CT op met een nominale belasting die gelijk is aan de berekende belasting - dan blijft er nul marge over

Stap 2: Controleer de werkelijke ALF ten opzichte van het foutniveau

Met de nominale belasting geselecteerd, controleer de werkelijke ALF met behulp van:

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

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

Stap 3: Toepassingsspecifieke belastingsaanbevelingen

• Industriële MV-distributie (6-12kV): 5A secundair, 15VA, Klasse 5P20 - korte kabeltrajecten in compacte MCC-panelen
• Substation stroomnet (33-36kV): 1A secundair, 15VA, Klasse 5P30 - lange kabeltrajecten naar afgelegen relaiskamers
• Solar Farm MV Inzameling (33kV): 1A secundair, 10VA, Klasse 10P10 - lagere foutniveaus, kostengeoptimaliseerd
• Stedelijke Ring Main Unit (12kV): 1A secundair, 5VA, Klasse 5P20 - compacte epoxygegoten CT, beperkt ruimtegebruik
• Maritiem / Offshore platform: 1A secundair, 10VA, Klasse 5P20, IP67 epoxy inkapseling - corrosieve omgeving

Betrouwbaarheidseffect van correcte belastingspecificatie

• ✅ CT werkt binnen lineair gebied tijdens fout → relais ontvangt nauwkeurig foutstroomsignaal
• ✅ Beveiligingsrelais schakelt in binnen correcte tijd-stroomkarakteristiek
• Differentiële bescherming handhaaft stabiliteit bij doorgaande storingen
• ✅ De betrouwbaarheid en uptime van het systeem blijven behouden over het volledige foutenniveaubereik
• ❌ Overbelaste CT verzadigt → relais meet foutstroom te laag → vertraagde of mislukte trip
• ❌ Te lage nominale belasting → effectieve ALF verminderd → blinde vlek bij hoge foutmultiples

Wat zijn de meest voorkomende rekenfouten in beveiligingscircuits?

Checklist voor installatie en verificatie

1. Meet de werkelijke kabellengte - gebruik as-built tekeningen, geen ontwerpramingen; routing in het veld voegt 15-25% toe aan de berekende lengte
2. Verkrijg relaisbelasting van huidig gegevensblad - niet uit het geheugen of eerdere projectspecificaties; relaismodellen variëren aanzienlijk
3. Pas temperatuurcorrectie toe op Rct en kabelweerstand - altijd berekenen bij 75°C, niet omgevingstemperatuur
4. Rekening voor alle aansluitblokken - vooral in rangeerkiosken met meerdere tussenklemmenstroken
5. Verifieer met lastmeter tijdens inbedrijfstelling - meet de werkelijke secundaire lusimpedantie vóór inschakeling
6. Controleer op parallelle relaisaansluitingen - meerdere relais op dezelfde secundaire CT verlagen de totale belasting, maar vereisen afzonderlijke verificatie

Veelvoorkomende fouten die mislukte beveiliging veroorzaken

• Gebruik van de VA op het typeplaatje van het relais zonder temperatuurcorrectie - de spoelweerstand van elektromechanische relais neemt aanzienlijk toe bij bedrijfstemperatuur
• Weerstand van retourleiding negeren - de factor 2 in de kabelformule wordt vaak weggelaten, waardoor de berekende kabellast wordt gehalveerd
• Aangenomen dat de numerieke relaisbelasting gelijk is aan de elektromechanische relaisbelasting - numerieke relais verbruiken 10-50× minder VA; door te veel lasten te specificeren worden kosten verspild, maar door te weinig lasten te specificeren voor vervanging van oudere relais worden fouten veroorzaakt.
• Last niet herberekend na verplaatsing relaispaneel - veranderingen in de kabellengte tijdens de bouw komen vaak voor en moeten leiden tot een herberekening van de lasten
• CT-belasting opgeven op basis van alleen relaiskamerafstand - het vergeten van tussenverdeeldozen, marshalling kiosken en testklemmenblokken

Klantcase - Inkoopmanager, industriële petrochemische fabriek:
Een inkoopmanager van een petrochemische installatie in het Midden-Oosten bestelde vervangende CT's op basis van de oorspronkelijke projectspecificatie uit 1995 - 5A secundair, 15VA, Klasse 5P20. Het relaispaneel was verplaatst tijdens een uitbreiding van de fabriek in 2018, waardoor de kabellengte toenam van 12 tot 38 meter. Niemand heeft de belasting opnieuw berekend. Na vervanging van de CT schakelde de overstroombeveiliging op een 11kV motorfeeder niet uit tijdens een fase-fase fout, wat schade aan de motorwikkeling veroorzaakte. Analyse na het incident wees uit dat de werkelijke belasting 28,4VA was - bijna het dubbele van de 15VA CT. Bepto biedt nu gratis lastenberekening als onderdeel van CT-vervangingsadvies, Zorg voor nauwkeurige specificaties voordat er een bestelling wordt geplaatst.

Conclusie

De berekening van de secundaire belasting van de CT is geen formaliteit, maar een fundamentele technische stap die bepaalt of uw gehele MV-beveiligingssysteem correct functioneert onder storingsomstandigheden. Door systematisch rekening te houden met relaisbelasting, kabelweerstand bij bedrijfstemperatuur, klemmenblokweerstand en het resultaat te vergelijken met de nominale belasting van de CT en de ALF-vereisten, zorgen ingenieurs ervoor dat stroomtransformatoren nauwkeurige, betrouwbare signalen leveren wanneer het elektriciteitssysteem bescherming het hardst nodig heeft. Voor middenspanningsdistributie, onderstations en industriële installaties is een correcte belastingspecificatie het fundament van de betrouwbaarheid van bescherming.

Veelgestelde vragen over de berekening van de secundaire belasting van CT

1. “IEC 61869-2:2012 Instrumenten transformatoren - Deel 2: Aanvullende eisen voor stroomtransformatoren”, https://webstore.iec.ch/publication/28612. Officiële internationale norm die test- en classificatiespecificaties voor beveiligingsstroomtransformatoren definieert. Bewijsrol: algemeen_ondersteunend; Bron type: norm. Ondersteunt: nominale belasting (Sₙ) van een CT voor bescherming wordt gedefinieerd bij nominale secundaire stroom. ↩

2. “850 Feeder Protection System”, https://www.gegridsolutions.com/multilin/catalog/850.htm. Technische specificaties voor moderne numerieke relais met typische waarden voor stroomverbruik. Bewijsrol: statistisch; Bron type: industrie. Ondersteunt: Moderne numerieke beveiligingsrelais verbruiken gewoonlijk 0,1-0,5VA per fase. ↩

3. “IEC 61869-2:2012 Instrumenten transformatoren - Deel 2”, https://webstore.iec.ch/publication/28612. IEC-normen schrijven weerstandsmeting bij 75°C voor bij thermische klasse uitlijning. Bewijsrol: standaard; Bron type: standaard. Ondersteunt: gemeten bij 75°C volgens IEC-norm. ↩

4. “IEC 60085:2007 Elektrische isolatie - Thermische evaluatie en aanduiding”, https://webstore.iec.ch/publication/583. Definieert standaard thermische klassen, waaronder klasse E (120°C) en klasse F (155°C) voor elektrische isolatiematerialen. Bewijsrol: standaard; Bron type: standaard. Ondersteunt: Klasse E (120°C) of Klasse F (155°C). ↩

5. “Elektrische weerstand en geleidbaarheid”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity. Materiaaleigenschappen-database met de standaard elektrische weerstand van koper bij kamertemperatuur. Bewijsrol: statistisch; Bron type: onderzoek. Ondersteuningen: weerstand van koper = 0,0175 Ω-mm²/m. ↩