Handleiding voor berekening van de belasting van instrumenttransformatoren voor MV-beveiligingssystemen

Inleiding

Het berekenen van de belasting is een van de meest onbegrepen - en meest ingrijpende - engineeringtaken bij het ontwerpen van middenspanningsbeveiligingssystemen. Elk apparaat dat is aangesloten op een secundair CT- of VT-circuit voegt impedantie toe en wanneer de totale belasting hoger is dan de nominale VA van de transformator, neemt de nauwkeurigheid af, raken de kernen verzadigd en ontvangen beveiligingsrelais vervormde signalen die gevaarlijke verkeerde functies kunnen veroorzaken.

Het directe antwoord: de belasting van de instrumenttransformator is de totale volt/amp-belasting die wordt opgelegd aan het secundaire circuit en deze moet altijd binnen de nominale belasting van de transformator blijven om te garanderen dat de nauwkeurigheidsklasse wordt nageleefd en dat fouten betrouwbaar worden gedetecteerd.

Voor elektrotechnische ingenieurs en EPC-aannemers die MV-schakelapparatuur specificeren, is een foutieve belasting geen klein kalibratieprobleem, maar een storing in de betrouwbaarheid van het systeem die staat te gebeuren. Deze gids behandelt de complete methodologie voor het berekenen van de belasting, veelvoorkomende valkuilen en selectiecriteria om ervoor te zorgen dat uw CT- en VT-installaties precies zo presteren als ontworpen.

Inhoudsopgave

• Wat is instrumenttransformatorbelasting en hoe wordt deze gedefinieerd?
• Hoe bereken je stap voor stap de CT- en VT-lasten?
• Welke invloed heeft belasting op CT-nauwkeurigheidsklasse en beschermingsprestaties?
• Wat zijn de meest voorkomende fouten bij het berekenen van de belasting in MV-systemen?

Wat is instrumenttransformatorbelasting en hoe wordt deze gedefinieerd?

Belasting is de totale externe impedantie - uitgedrukt in Volt/Ampère (VA) of Ohm (Ω) - aangesloten op de secundaire aansluitingen van een instrumenttransformator. Het vertegenwoordigt de som van alle belastingen die de transformator moet aandrijven met behoud van de nominale nauwkeurigheid. Voor een CT omvat dit elk apparaat en elke geleider in de secundaire lus. Voor een VT omvat dit alle parallel aangesloten meet- en beveiligingsapparatuur.

Het begrijpen van last begint met het begrijpen van de twee manieren waarop last wordt uitgedrukt:

• VA Last: Totaal schijnbaar vermogen verbruikt door het secundaire circuit bij nominale secundaire stroom of spanning
• Impedantiebelasting (Ω): Totale weerstand en reactantie van het secundaire circuit, gebruikt in gedetailleerde berekeningen

Belangrijke technische parameters voor CT-belasting per IEC 61869-2¹:

• Geschatte last: De maximale VA die de CT kan leveren met behoud van de opgegeven nauwkeurigheidsklasse (bijvoorbeeld 15VA, 30VA)
• Gewaardeerd secundaire stroom: Standaardwaarden van 1A of 5A - de belastingsimpedantie schaalt met het kwadraat van deze waarde
• Nauwkeurigheidsklasse: 0,2, 0,5 voor meting; 5P, 10P voor bescherming - elk heeft een gedefinieerd belastingsbereik
• Vermogensfactor van de last: Gewoonlijk 0,8 achterblijvend voor beschermingsklasse; 1,0 voor weerstandsbelastingen
• Nominale nauwkeurigheid grensfactor (ALF): Omgekeerd evenredig met de werkelijke last - neemt toe naarmate de last afneemt
• Isolatieniveau: 12kV / 24kV / 36kV klasse voor MV-toepassingen
• Thermische continue stroomclassificatie: ≥1,2× nominale primaire stroom
• Kruipafstand: ≥25mm/kV voor standaard binnenomgevingen (IEC 60815)²

Een cruciaal maar vaak over het hoofd gezien punt: Last wordt niet alleen door het relais opgelost. De secundaire kabelweerstand, de contactweerstand van de aansluitklemmen en de gecombineerde impedantie van alle in serie aangesloten apparaten dragen allemaal bij. Het negeren van de kabelbelasting is de meest voorkomende oorzaak van overschrijdingen van de nauwkeurigheidsklasse in veldinstallaties.

Hoe bereken je stap voor stap de CT- en VT-lasten?

Lastenberekening volgt een gestructureerd proces. Hier volgt de volledige methodologie die wordt gebruikt voor MV-bescherming en meting van CT-circuits.

Stap 1: Maak een lijst van alle secundaire circuitapparaten

Identificeer elk apparaat dat is aangesloten op de secundaire CT-lus:

• Beveiligingsrelais (afstand, overstroom, differentieel)
• Energiemeter of power quality analyzer
• Transducer of zender
• Ampèremeter (indien van toepassing)
• CT tussenvoegen (indien van toepassing)

Stap 2: VA- of impedantiewaarde verkrijgen voor elk apparaat

Elke fabrikant van apparaten geeft een belastingswaarde bij een nominale secundaire stroom. Converteer alle waarden naar impedantie (Ω) met behulp van:

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

Waar $I_s$ de nominale secundaire stroom is (1A of 5A).

Voorbeeld - secundair circuit van 5 A:

Apparaat	Geschatte last (VA)	Impedantie (Ω)
Afstandsbeschermingsrelais	1,0 VA	0.040 Ω
Overstroomrelais	0,5 VA	0.020 Ω
Energiemeter	1,5 VA	0.060 Ω
Secundaire kabel (2× 30 m, 2,5mm²)	—	0.432 Ω
Weerstand contactpunten	—	0.010 Ω
Totale last	—	0.562 Ω

Converteer totale impedantie terug naar VA: $VA_{totaal} = Z_{totaal} \maal I_s^2 = 0,562 maal 25 = 14,05 VA$

Stap 3: Kabellast berekenen

De kabelweerstand wordt als volgt berekend:

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

Waar:

• $L$ = lengte eenrichtingskabel (meter)
• $\rho$ = weerstand van koper = $0,0172 \Omega \dot mm^2/m$
• $A$ = kabeldoorsnede (mm²)

Voor 30 m eenrichtingsverkeer met 2,5 mm² koper: $R_{kabel} = \frac{2 \times 30 \times 0.0172}{2.5} = 0,413 \Omega$

Stap 4: Controleren aan de hand van geschatte lasten

De totale berekende last moet voldoen: $VA{actual} \VA_{rated}$

Als de werkelijke belasting hoger is dan de nominale belasting, zijn de volgende opties mogelijk:

• Kabeldoorsnede vergroten (vermindert weerstandsbelasting)
• Last CT met hogere nominale waarde opgeven
• Verminder het aantal in serie aangesloten apparaten
• Overschakelen van 5A naar 1A secundair (vermindert kabelbelasting met factor 25)

Stap 5: Controleer effectieve ALF

De werkelijke ALF verandert met de belasting. De relatie volgens IEC 61869-2 is:

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

Waar $VA_{internal}$ is de eigen interne wikkelingsbelasting van de CT (van datasheet). Deze stap is cruciaal voor afstandsbescherming en differentiële beschermingstoepassingen.

CT vs VT Lastenvergelijking

Parameter	Berekening CT-belasting	VT Lastenberekening
Circuit topologie	Serie lus	Parallelle aansluiting
Last Uitdrukking	VA of Ω (seriële impedantie)	VA of Ω (parallelle impedantie)
Kabelinvloed	Hoge serieweerstand voegt direct toe	Laag - parallelle belastingen domineren
Secundaire norm	1A of 5A	100V of 110V
Belangrijkste risico	Verzadiging van de kern door overbelasting	Spanningsverlies en nauwkeurigheidsverlies
Norm	IEC 61869-2	IEC 61869-33

Klantcase - Belastingsmisrekening in een 33kV Feeder Beveiligingspaneel:
Een inkoopmanager van een EPC-bedrijf in Noord-Afrika nam contact op nadat hun pas in gebruik genomen 33kV feederbeveiligingssysteem hardnekkige nauwkeurigheidsfouten vertoonde bij het meten van energie - de metingen waren consequent 34% te laag. Onderzoek wees uit dat de secundaire kabelloop 45 meter was (langer dan in het oorspronkelijke ontwerp was aangenomen op 20 meter), waardoor 0,62Ω aan onberekende weerstandslast werd toegevoegd. De geïnstalleerde CT had een nominale belasting van 15VA, maar de werkelijke belasting bedroeg 22VA, waardoor de CT buiten het bereik van de 0,5 nauwkeurigheidsklasse viel. Bepto leverde vervangende CT's van 30VA met overeenkomstige specificaties en de meetnauwkeurigheid keerde terug tot binnen 0,2% - ruim binnen de eisen voor facturering.

Welke invloed heeft belasting op CT-nauwkeurigheidsklasse en beschermingsprestaties?

De relatie tussen belasting en CT-prestaties is niet lineair - het is een drempeleffect. Binnen de nominale belasting behoudt de CT zijn aangegeven nauwkeurigheidsklasse. Boven de nominale belasting nemen de fouten snel toe, ook onder storingsomstandigheden, kernverzadiging eerder optreedt dan de ALF-specificatie veronderstelt.

Specifiek voor bescherming op afstand heeft dit directe operationele gevolgen:

• Onderbelasting: Effectieve ALF neemt toe - over het algemeen gunstig, maar er moet nog steeds aan de ingangsimpedantie van het relais worden voldaan
• Bij nominale belasting: CT presteert precies volgens specificatie van nauwkeurigheidsklasse
• Overbelasting (110-150% nominaal): Samengestelde fout overschrijdt klasselimiet; meting leest onjuist af
• Ernstige overbelasting (>150% gewaardeerd): kern verzadigt tijdens storingen⁴; Beveiligingsrelais ontvangt geknepen golfvorm; impedantieberekening mislukt; afstandsrelais schakelt mogelijk zone 1 niet uit.

Impact op beschermingsbetrouwbaarheid per belastingsniveau

Lastniveau	Meetnauwkeurigheid	Bescherming CT-gedrag	Afstand Relais Response
<80% Beoordeeld	Binnen klasse	ALF effectief hoger	Betrouwbare Zone 1 trip
80-100% Nominaal	Binnen klasse	Volgens specificatie	Betrouwbare Zone 1 trip
100-130% Nominaal	Marginale fout	Verminderde effectieve ALF	Mogelijke vertraging Zone 1
>150% Gewaardeerd	Belangrijke fout	Vroege verzadiging	Risico op verkeerde bediening

De praktische aanbeveling voor toepassingen die cruciaal zijn voor bescherming: ontwerp tot 75-80% van de maximale nominale belasting, Zo blijft er marge over voor toekomstige toevoegingen van relais of herroutering van kabels die de weerstand verhogen.

Klantzaak - verkeerde werking van beveiliging te wijten aan overbelasting:
Een aannemer van een elektriciteitsbedrijf in Zuidoost-Azië meldde dat een afstandsrelais voor een bovengrondse lijn van 22 kV er consequent niet in slaagde dichtbijzijnde storingen binnen de tijd van zone 1 op te lossen, waardoor deze standaard in zone 2 terechtkwam (vertraging van 400 ms). Gedetailleerde analyse bij inbedrijfstelling onthulde dat het secundaire CT-circuit drie relais, een omvormer en een 38 meter lange kabel bevatte - een totale belasting van 28VA tegen een CT van 15VA. De CT verzadigde bij ongeveer 8× de nominale stroom, ver onder de impliciete 20× capaciteit van de 5P20-specificatie bij nominale belasting. Vervanging door Bepto 5P20 CT's van 30VA loste het probleem met de timing van zone 1 volledig op.

Wat zijn de meest voorkomende fouten bij het berekenen van de belasting in MV-systemen?

Checklist installatie en inbedrijfstelling

1. Meet de werkelijke kabellengte - gebruik nooit schattingen van ontwerptekeningen voor het berekenen van de belasting
2. Geleiderweerstand meten met een ohmmeter met lage weerstand voor het onder spanning zetten
3. Controleer de werkelijke ingangsbelasting van elk relais van gegevensblad fabrikant - geen catalogusoverzichten
4. Bereken de totale belasting bij nominale secundaire stroom voordat CT VA-classificatie wordt opgegeven
5. Voer een secundaire injectietest uit CT-verhouding, polariteit en nauwkeurigheid verifiëren bij inbedrijfstelling
6. Documenteren as-built last voor toekomstig onderhoud

Veelvoorkomende fouten die de betrouwbaarheid in gevaar brengen

• Kabellast negeren: In secundaire circuits van 5 A kan een kabelloop van 30 m 8-15VA bijdragen - vaak meer dan de belasting van het relais.
• 1A en 5A apparaten mengen: Het aansluiten van een 5A-relais op een 1A secundaire CT veroorzaakt ernstige overbelasting en mogelijke schade aan het relais.
• Aangenomen dat de relaisbelasting gelijk is aan de totale belasting: Het vergeten van meters, transducers en eindweerstanden komt heel vaak voor
• Niet herberekenen ALF na lastenwijzigingen: Het toevoegen van een relais tijdens een systeemupgrade zonder de effectieve ALF opnieuw te controleren is een verborgen beveiligingsrisico.
• VT-belastingberekeningsmethode gebruiken voor CT's: Seriële versus parallelle topologie - de berekeningsmethode is fundamenteel anders
• Verwaarlozing van temperatuureffecten: Weerstand tegen koper neemt ongeveer 0,4% per °C toe⁵ - in installaties met een hoge omgevingstemperatuur is de kabelbelasting bij 60°C meetbaar hoger dan bij 20°C

Conclusie

Een nauwkeurige berekening van de belasting is geen optionele technische verfijning - het is een fundamentele vereiste voor de nauwkeurigheidsklasse van instrumenttransformatoren en de betrouwbaarheid van beveiligingssystemen in middenspanningsdistributie. De belangrijkste conclusie: bereken altijd de totale secundaire belasting inclusief kabelweerstand, controleer de effectieve ALF voor beschermingstoepassingen en ontwerp tot maximaal 75-80% van de nominale CT-belasting voor een betrouwbare foutdetectie. Bij Bepto Electric is elke CT die we leveren voorzien van volledige datasheet-belastingsspecificaties en interne wikkelweerstandswaarden, zodat uw engineeringteam vanaf dag één over alles beschikt om nauwkeurige belastingsberekeningen uit te voeren.

Veelgestelde vragen over de berekening van de belasting van instrumenttransformatoren

1. “IEC 61869-2:2012 Instrumenten transformatoren - Deel 2”, https://webstore.iec.ch/publication/5964. Definieert de technische normen en parameters voor stroomtransformatoren. Bewijsrol: algemeen_ondersteund; Bron type: standaard. Ondersteunt: IEC 61869-2. ↩

2. “IEC TS 60815-1:2008 Selectie en dimensionering van hoogspanningsisolatoren”, https://webstore.iec.ch/publication/3807. Definieert de vereisten voor kruipwegen voor verschillende verontreinigingsomgevingen. Bewijsrol: general_support; Brontype: standaard. Ondersteunt: ≥25mm/kV voor standaard binnenomgevingen (IEC 60815). ↩

3. “IEC 61869-3:2011 Instrumenten transformatoren - Deel 3”, https://webstore.iec.ch/publication/5965. De internationale norm die de prestaties en belasting van inductieve spanningstransformatoren regelt. Bewijsrol: algemeen_ondersteund; Bron type: norm. Ondersteunt: IEC 61869-3. ↩

4. “Invloed van CT-verzadiging op afstandsbeveiliging”, https://ieeexplore.ieee.org/document/4275376. IEEE-onderzoek dat analyseert hoe overmatige belasting vroegtijdige kernverzadiging veroorzaakt. Bewijsrol: mechanisme; Bron type: onderzoek. Ondersteunt: kern verzadigt tijdens foutcondities. ↩

5. “Elektrische weerstand en geleidbaarheid”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity. Wikipedia-pagina met de temperatuurcoëfficiënt van de weerstand van koper. Bewijsrol: mechanisme; Bron type: onderzoek. Ondersteunt: neemt ongeveer 0,4% per °C toe. ↩