Calculul sarcinii secundare a transformatorului de curent

Introducere

În sistemele de protecție de medie tensiune, chiar și un transformator de curent perfect specificat poate eșua în a furniza semnale de defect fiabile dacă sarcina secundară este calculată greșit. Sarcina secundară - impedanța totală conectată la bornele secundare ale CT - determină în mod direct dacă CT-ul menține precizia în timpul condițiilor de defect sau se saturează și trimite semnale corupte către releele de protecție. Pentru inginerii electrotehnicieni care proiectează scheme de protecție MT și pentru managerii de achiziții care achiziționează TC pentru substații industriale sau rețele de alimentare cu energie electrică, un calcul incorect al sarcinii este una dintre cele mai frecvente, dar și cele mai consecvente erori de specificație în domeniu. Acest ghid oferă o metodologie structurată, de nivel ingineresc, pentru calcularea sarcinii secundare a TC, acoperind fiecare componentă de rezistență din bucla secundară și traducând acest calcul într-o specificație corectă a TC conform IEC 61869-2.

Tabla de conținut

• Ce este CT Secondary Burden și ce include?
• Cum se calculează sarcina secundară totală pas cu pas?
• Cum afectează sarcina secundară selectarea TC pentru protecția MT?
• Care sunt cele mai frecvente erori de calcul al sarcinii în circuitele de protecție?

Ce este CT Secondary Burden și ce include?

Sarcina secundară a CT este impedanța totală (exprimată în VA sau Ω) prezentată înfășurării secundare a TC de către toate dispozitivele și conductorii conectați în bucla secundară. Aceasta nu este doar impedanța bobinei releului - este suma tuturor elementelor rezistive și reactive prin care trebuie să treacă curentul secundar.

Per IEC 61869-2¹, sarcina nominală (Sₙ) a unui TC de protecție este definită la curentul secundar nominal (de obicei 1A sau 5A) și factorul de putere nominal (de obicei cos φ = 0,8). CT-ul trebuie să își mențină clasa de precizie până la această valoare a sarcinii. Depășind-o, și ALF efectivă scade - potențial sub cerința nivelului de defect al sistemului dumneavoastră.

Componente ale sarcinii secundare a CT

Sarcina secundară totală cuprinde patru elemente distincte:

• Sarcina releului (S_relay): Consumul de VA al tuturor releelor de protecție conectate - supracurent, defect la pământ, diferențial, distanță. Modern relee numerice de protecție² consumă de obicei 0,1-0,5VA pe fază; releele electromecanice pot consuma 3-10VA
• Sarcina cablului (R_cable): Rezistența cablajului secundar dintre bornele TC și panoul releului - adesea cea mai mare componentă de sarcină unică în instalațiile de teren
• Bloc terminal și rezistență de conectare (R_terminal): Mic, dar nu neglijabil în lanțuri secundare lungi; de obicei 0,01-0,05Ω pe pereche de blocuri terminale
• CT Rezistența înfășurării secundare (R_ct): Rezistența internă a înfășurării CT-ului în sine - nu face parte din sarcina externă, dar este esențială pentru calculul ALF; măsurată la 75°C conform standardului IEC

Specificații tehnice cheie de confirmat

• Curent secundar nominal: 1A sau 5A - această alegere afectează dramatic sarcina cablului (5A secundar produce o cădere de tensiune a cablului 25× mai mare decât 1A pentru aceeași rezistență)
• Sistem de izolare: Rășină epoxidică turnată, nominală 12kV / 24kV / 36kV conform IEC 61869
• Clasa de acuratețe: 5P sau 10P pentru circuite de protecție
• Gama de sarcini nominale: Valori standard - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Temperatura de funcționare: Clasa E (120°C) sau clasa F (155°C) - afectează factorul de corecție Rct

Cum se calculează sarcina secundară totală pas cu pas?

Un calcul riguros al sarcinii secundare urmează un proces în patru etape. Fiecare etapă trebuie încheiată înainte de finalizarea specificației CT - omiterea oricărei etape introduce riscul unei specificații insuficiente.

Pasul 1: Determinarea sarcinii releului

Obțineți consumul de VA din fișele tehnice ale producătorilor de relee pentru fiecare dispozitiv conectat:

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

Conversia VA în rezistență la curentul secundar nominal:

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

Exemplu: Releu de supracurent numeric = 0,3VA, releu de defect la pământ = 0,2VA, total = 0,5VA
La I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
La I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Pasul 2: Calcularea rezistenței cablului

Aceasta este cea mai importantă etapă de calcul, în special pentru instalațiile în care TC sunt amplasate departe de panourile de releu:

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

Unde:

• $L$ = lungimea cablului unidirecțional (metri)
• $\rho$ = rezistivitatea cuprului³ = 0,0175 Ω-mm²/m (la 20°C)
• $A$ = aria secțiunii transversale a cablului (mm²)
• Factor 2 ține cont atât de conductoarele de ieșire, cât și de cele de retur

Corecție de temperatură până la 75°C:

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

$R_{cable,75} = R_{cable,20} \times 1.216$

Exemplu: Cablu de 30 m, cupru de 2,5 mm²:
$R_{cable,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0,42 , \Omega$
$R_{cable,75} = 0,42 \times 1,216 = 0,511 , \Omega$

Pasul 3: Adăugați rezistența terminalului și a conexiunii

Pentru un circuit secundar tipic cu 6 perechi de blocuri terminale:

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

Etapa 4: Suma totală a poverii externe

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

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

Conversia în VA la curentul secundar nominal:

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \times I_{2n}^2 = 0.549 \times 25 = 13.7 , VA$

→ Specificați sarcina nominală CT ≥ 15VA (următoarea valoare standard peste 13,7VA)

Compararea sarcinii: 1A vs 5A secundar

Parametru	1A Secundar	5A Secundar
Rezistența cablului Impact	Scăzut (efect I² minim)	Mare (25× mai multă pierdere VA)
Sarcina releului (VA→Ω)	Ω mai mare per VA	Ω mai mic per VA
Lungimea recomandată a cablului	Până la 100m practic	Țineți sub 30m în mod ideal
Evaluare standard a poverii	2,5VA-15VA tipic	10VA-30VA tipic
Dimensiunea miezului	Mai mici	Mai mare
Aplicație	Instalații la distanță, cabluri lungi	Instalații de panouri locale

Principala concluzie: Pentru instalații CT la mai mult de 20 de metri de panoul de releu, 1A secundar este foarte preferat - sarcina cablului la 5A secundar poate consuma întregul buget VA nominal înainte ca releul să primească un semnal.

Cazul clientului - Contractor EPC pentru rețeaua electrică, substație 33kV:
Un antreprenor EPC din Asia de Sud a specificat CT-uri secundare de 5A pentru o substație exterioară de 33kV în care cutiile de distribuție CT erau amplasate la 45 de metri de panoul principal al releului. Calculul inițial al sarcinii (numai releu) a indicat 8VA - cu mult în limita sarcinii nominale de 15VA. Cu toate acestea, inginerul de aplicații al Bepto a recalculat inclusiv rezistența cablului: 45m × 2,5mm² cupru la 75°C adăugat 1,23Ω = 30,7VA la sarcină. Sarcina totală a depășit 38VA - mai mult decât dublul capacității CT. Specificația a fost revizuită la 1A CT-uri secundare cu o sarcină nominală de 15VA, rezolvând problema înainte de fabricație. Acest singur calcul a prevenit o defecțiune completă a sistemului de protecție pe o rețea de alimentare activă.

Cum afectează sarcina secundară selectarea TC pentru protecția MT?

Odată ce sarcina secundară totală este calculată, aceasta determină în mod direct trei parametri de specificație ai TC: clasa sarcinii nominale, selectarea clasei de precizie și verificarea ALF reală în raport cu cerințele nivelului de defect al sistemului.

Pasul 1: Selectarea clasei de sarcină nominală

Selectați întotdeauna următoarea valoare standard a sarcinii peste sarcina totală calculată:

• Sarcina calculată = 13,7VA → Specificați 15VA
• Sarcina calculată = 22VA → Specificați 30VA
• Nu specificați niciodată un TC cu o sarcină nominală egală cu sarcina calculată - aceasta lasă o marjă zero

Etapa 2: Verificarea ALF real față de nivelul de eroare

Cu sarcina nominală selectată, verificați ALF real utilizând:

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

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

Etapa 3: Recomandări privind sarcina specifică aplicației

• Distribuție MT industrială (6-12kV): 5A secundar, 15VA, Clasa 5P20 - cabluri scurte în panouri MCC compacte
• Substație rețea electrică (33-36kV): 1A secundar, 15VA, Clasa 5P30 - cabluri lungi către camere de releu la distanță
• Colectare MV Solar Farm (33kV): 1A secundar, 10VA, Clasa 10P10 - niveluri de defect mai scăzute, costuri optimizate
• Unitatea principală a inelului urban (12kV): 1A secundar, 5VA, Clasa 5P20 - CT compact turnat în epoxid, spațiu limitat
• Platformă maritimă / offshore: 1A secundar, 10VA, clasa 5P20, încapsulare epoxidică IP67 - mediu coroziv

Impactul asupra fiabilității al specificării corecte a sarcinii

• ✅ CT funcționează în regiunea liniară în timpul defectului → releul primește un semnal de curent de defect precis
• ✅ Declanșarea releului de protecție în cadrul caracteristicii timp-curent corecte
• ✅ Protecția diferențială menține stabilitatea la defectele de trecere
• ✅ Fiabilitatea sistemului și timpul de funcționare sunt menținute pe întreaga gamă de niveluri de defecțiune
• ❌ CT supraîncărcat se saturează → releul nu citește suficient curentul de defect → declanșare întârziată sau eșuată
• ❌ sarcină nominală sub specificație → ALF efectiv redus → punct orb de protecție la multipli de defect mari

Care sunt cele mai frecvente erori de calcul al sarcinii în circuitele de protecție?

Lista de verificare a instalării și verificării

1. Măsurați lungimea reală a cablului - utilizați desenele conform construcției, nu estimările de proiectare; rutarea pe teren adaugă 15-25% la lungimea calculată
2. Obțineți sarcina releului din fișa tehnică a curentului - nu din memorie sau din specificațiile proiectelor anterioare; modelele releelor variază semnificativ
3. Aplicați corecția de temperatură la Rct și rezistența cablului - calculați întotdeauna la 75°C, nu la temperatura ambiantă
4. Cont pentru toate blocurile terminale - în special în chioșcurile de dirijare cu mai multe borne intermediare
5. Se verifică cu contorul de sarcină în timpul punerii în funcțiune - măsurați impedanța reală a buclei secundare înainte de energizare
6. Verificați conexiunile releului paralel - mai multe relee pe același secundar CT reduc sarcina totală, dar necesită o verificare individuală

Erori frecvente care cauzează eșecuri ale protecției

• Utilizarea VA de pe placa de identificare a releului fără corecția temperaturii - rezistența bobinei releului electromecanic crește semnificativ la temperatura de funcționare
• Ignorarea rezistenței conductorului de retur - factorul 2 din formula de calcul a cablurilor este adesea omis, reducând la jumătate sarcina calculată pentru cabluri
• Presupunând că sarcina numerică a releului este egală cu sarcina electromecanică a releului - releele numerice consumă cu 10-50× mai puțin VA; supra-specificarea sarcinii risipește costurile, dar sub-specificarea pentru înlocuirea releelor vechi cauzează erori
• Eșecul de a recalcula sarcina după mutarea panoului releului - modificările lungimii cablurilor în timpul construcției sunt frecvente și trebuie să declanșeze recalcularea sarcinii
• Specificarea sarcinii CT numai pe baza distanței camerei releului - uitarea cutiilor de joncțiune intermediare, a chioșcurilor de dirijare și a blocurilor terminale de testare

Cazul clientului - Manager achiziții, uzină petrochimică industrială:
Un director de achiziții de la o instalație petrochimică din Orientul Mijlociu a comandat CT-uri de înlocuire bazate pe specificațiile proiectului original din 1995 - 5A secundar, 15VA, clasa 5P20. Panoul de releu fusese relocat în timpul unei extinderi a instalației în 2018, extinzând traseele de cabluri de la 12 m la 38 m. Nimeni nu a recalculat sarcina. După înlocuirea TC, protecția la supracurent pe o linie de alimentare a motorului de 11 kV nu s-a declanșat în timpul unui defect fază-fază, provocând deteriorarea înfășurării motorului. Analiza post-incident a arătat că sarcina reală a fost de 28,4VA - aproape dublă față de valoarea nominală de 15VA a TC. Bepto oferă acum revizuire gratuită a calculului sarcinii ca parte a consultării privind înlocuirea CT, asigurând precizia specificațiilor înainte de plasarea oricărei comenzi.

Concluzie

Calculul sarcinii secundare a TC nu este o formalitate - este un pas tehnic fundamental care determină dacă întreaga schemă de protecție MV funcționează corect în condiții de defect. Prin contabilizarea sistematică a sarcinii releului, a rezistenței cablului la temperatura de funcționare, a rezistenței blocului terminal și prin verificarea rezultatului în raport cu sarcina nominală a TC și cu cerințele ALF, inginerii se asigură că transformatoarele de curent furnizează semnale precise și fiabile atunci când sistemul de alimentare are cea mai mare nevoie de protecție. Pentru distribuția de energie electrică de medie tensiune, substații și instalații industriale, specificarea corectă a sarcinii este fundamentul fiabilității protecției.

Întrebări frecvente despre calculul sarcinii secundare CT

1. Standard internațional oficial pentru criteriile de performanță și precizie ale transformatoarelor de curent. ↩

2. Dispozitive digitale moderne cu un consum de VA semnificativ mai mic în comparație cu modelele electromecanice tradiționale. ↩

3. Constantă fizică standard utilizată pentru a calcula căderea de tensiune și pierderea de putere în cablajul secundar. ↩

4. Parametru tehnic care determină capacitatea CT de a menține precizia în timpul curenților de defect mari. ↩