Расчет нагрузки на вторичную обмотку трансформатора тока

Введение

В системах защиты среднего напряжения даже идеально подобранный трансформатор тока может не выдавать надежных сигналов о повреждениях, если неправильно рассчитана нагрузка на вторичную обмотку. Нагрузка на вторичную обмотку - общее сопротивление, подключенное к вторичным клеммам ТТ, - напрямую определяет, сохранит ли ваш ТТ точность в условиях неисправности или насытится и будет посылать искаженные сигналы на ваши реле защиты. Для инженеров-электриков, разрабатывающих схемы защиты МВ, и менеджеров по закупкам, подбирающих ТТ для промышленных подстанций или фидеров электросетей, неправильный расчет нагрузки является одной из наиболее распространенных и в то же время чреватых последствиями ошибок при составлении спецификации. В данном руководстве представлена структурированная методология расчета вторичной нагрузки ТТ, охватывающая все компоненты сопротивления во вторичном контуре, и перевод этого расчета в правильную спецификацию ТТ в соответствии с IEC 61869-2.

Оглавление

• Что такое вторичное бремя КТ и что оно в себя включает?
• Как рассчитать общее вторичное бремя шаг за шагом?
• Как вторичная нагрузка влияет на выбор ККТ для защиты МВ?
• Каковы наиболее распространенные ошибки расчета нагрузки в схемах защиты?

Что такое вторичное бремя КТ и что оно в себя включает?

Вторичная нагрузка на КТ - это полное сопротивление (выраженное в ВА или Ω), подаваемое на вторичную обмотку СТ всеми подключенными устройствами и проводниками во вторичном контуре. Это не просто импеданс катушки реле - это сумма всех резистивных и реактивных элементов, через которые должен пройти вторичный ток.

На IEC 61869-2, the Номинальная нагрузка (Sₙ) защитного ТТ определяется при номинальном вторичном токе¹ (обычно 1A или 5A) и номинальный коэффициент мощности (обычно cos φ = 0,8). ТТ должен поддерживать свой класс точности до этого значения нагрузки. Превышение этого значения приводит к снижению эффективного ALF - потенциально ниже требований к уровню отказов системы.

Компоненты вторичного бремени КТ

Общая вторичная нагрузка состоит из четырех отдельных элементов:

• Бремя эстафеты (S_relay): Потребление ВА всеми подключенными реле защиты - сверхтока, замыкания на землю, дифференциальной, дистанционной. Современные цифровые реле защиты обычно потребляют 0,1-0,5 ВА на фазу²; электромеханические реле могут потреблять 3-10VA
• Нагрузка на кабель (R_cable): Сопротивление вторичной проводки между клеммами ТТ и релейной панелью - часто самый большой компонент нагрузки в полевых установках
• Клеммная колодка и сопротивление подключения (R_терминал): Небольшие, но незначительные в длинных вторичных цепочках; обычно 0,01-0,05Ω на пару клеммных колодок
• Сопротивление вторичной обмотки CT (R_ct): Внутреннее сопротивление обмотки самого ТТ - не является частью внешней нагрузки, но критично для расчета ALF; измерено при 75°C в соответствии со стандартом IEC³

Основные технические характеристики, которые необходимо подтвердить

• Номинальный вторичный ток: 1A или 5A - этот выбор существенно влияет на нагрузку на кабель (вторичная обмотка 5A создает на 25× большее падение напряжения на кабеле, чем 1A при том же сопротивлении).
• Система изоляции: Литая эпоксидная смола, номинальное напряжение 12 кВ / 24 кВ / 36 кВ согласно IEC 61869
• Класс точности: 5P или 10P для цепей защиты
• Диапазон номинальных нагрузок: Стандартные значения - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Рабочая температура: Класс E (120°C) или Класс F (155°C)⁴ - влияет на поправочный коэффициент Rct

Как рассчитать общее вторичное бремя шаг за шагом?

Строгий расчет вторичной нагрузки состоит из четырех этапов. Каждый этап должен быть завершен до окончательного утверждения спецификации КТ - пропуск любого этапа влечет за собой риск занижения спецификации.

Шаг 1: Определите нагрузку на реле

Получите данные о потребляемой мощности из технических паспортов производителей реле для каждого подключенного устройства:

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

Переведите ВА в сопротивление при номинальном вторичном токе:

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

Пример: Числовое реле сверхтока = 0,3VA, реле замыкания на землю = 0,2VA, всего = 0,5VA
При I₂ₙ = 5 А: $R_{relay} = \frac{0.5}{25} = 0.02 , \Omega$
При I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Шаг 2: Рассчитайте сопротивление кабеля

Это самый важный этап расчета, особенно для установок, в которых ТТ расположены далеко от релейных панелей:

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

Где:

• $L$ = длина одностороннего кабеля (метры)
• $\rho$ = удельное сопротивление меди = 0,0175 Ω-мм²/м⁵ (при 20°C)
• $A$ = площадь поперечного сечения кабеля (мм²)
• Фактор 2 учитывает как отходящие, так и обратные проводники

Температурная коррекция до 75°C:

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

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

Пример: Кабель длиной 30 м, медь 2,5 мм²:
$R_{кабель,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0.42 , \Omega$
$R_{кабель,75} = 0.42 \times 1.216 = 0.511 , \Omega$

Шаг 3: Добавьте сопротивление клемм и соединений

Для типичной вторичной цепи с 6 парами клеммных колодок:

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

Шаг 4: Сумма общего внешнего бремени

$R_{burden,total} = R_{relay} + R_{кабель,75} + R_{терминал}$

$R_{burden,total} = 0.02 + 0.511 + 0.018 = 0.549 , \Omega$

Пересчитайте в ВА при номинальном вторичном токе:

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

→ Укажите номинальную нагрузку ТТ ≥ 15VA (следующее стандартное значение выше 13,7VA)

Сравнение нагрузки: 1A и 5A средняя школа

Параметр	1A Средняя	5A Вторичный
Сопротивление кабеля Воздействие	Низкий (эффект I² минимален)	Высокий (на 25 × больше потерь ВА)
Релейная нагрузка (VA→Ω)	Более высокий Ω на ВА	Низкий Ω на ВА
Рекомендуемая длина кабеля	Практичность до 100 м	В идеале не превышать 30 м.
Рейтинг стандартного бремени	2.5VA-15VA типичный	10VA-30VA типичный
Размер ядра	Меньше	Крупнее
Приложение	Удаленные установки, длинные кабельные трассы	Установка локальных панелей

Главный вывод: Для установок CT на расстоянии более 20 метров от релейной панели, Среднее образование 1A является предпочтительным - Нагрузка на кабель при вторичном токе 5 А может израсходовать весь номинальный ВА еще до того, как реле получит сигнал.

Дело клиента - EPC-подрядчик электросетей, подстанция 33 кВ:
Подрядчик EPC в Южной Азии заказал вторичные ТТ на 5 А для открытой подстанции 33 кВ, где распределительные коробки ТТ были расположены в 45 метрах от главной релейной панели. Первоначальный расчет нагрузки (только реле) показал 8 ВА - вполне в пределах номинальной нагрузки 15 ВА. Однако инженер по применению Bepto пересчитал нагрузку с учетом сопротивления кабеля: 45 м × 2,5 мм² меди при 75°C добавили 1,23Ω = 30,7VA к нагрузке. Общая нагрузка превышала 38 ВА - более чем в два раза больше номинала ТТ. Спецификация была изменена на вторичные ТТ 1A с номинальной нагрузкой 15 ВА, что позволило решить проблему еще до начала производства. Этот единственный расчет позволил предотвратить полный отказ системы защиты на фидере сети, находящейся под напряжением.

Как вторичная нагрузка влияет на выбор ККТ для защиты МВ?

После расчета общей вторичной нагрузки она непосредственно определяет три параметра спецификации ТТ: класс номинальной нагрузки, выбор класса точности и проверку фактической ALF на соответствие требованиям к уровню неисправности системы.

Шаг 1: Выберите класс нагрузки

Всегда выбирайте следующее стандартное значение нагрузки, превышающее рассчитанную вами общую нагрузку:

• Расчетная нагрузка = 13,7VA → Укажите 15VA
• Расчетная нагрузка = 22VA → Укажите 30VA
• Никогда не указывайте ТТ с номинальной нагрузкой, равной расчетной, - это оставляет нулевой запас

Шаг 2: Проверка фактического значения ALF по сравнению с уровнем неисправности

Выбрав номинальную нагрузку, проверьте фактическое значение ALF:

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

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

Шаг 3: Рекомендации по нагрузке на конкретное приложение

• Промышленное распределение среднего напряжения (6-12 кВ): 5A вторичный, 15VA, класс 5P20 - короткие кабельные трассы в компактных панелях MCC
• Электросетевая подстанция (33-36 кВ): Вторичный 1A, 15VA, класс 5P30 - длинные кабельные линии к удаленным релейным комнатам
• Солнечная ферма MV Collection (33 кВ): Вторичная обмотка 1А, 10ВА, класс 10P10 - более низкие уровни повреждения, оптимизированная стоимость
• Главный блок городского кольца (12 кВ): Вторичный 1A, 5VA, класс 5P20 - компактный ТТ с эпоксидным литьем, ограниченное пространство
• Морские/офшорные платформы: Вторичный 1A, 10VA, класс 5P20, эпоксидная оболочка IP67 - агрессивная среда

Влияние корректной спецификации нагрузки на надежность

• ✅ ТТ работает в пределах линейной области во время повреждения → реле получает точный сигнал о токе повреждения
• ✅ Срабатывание реле защиты в пределах правильной характеристики тока времени
• ✅ Дифференциальная защита поддерживает стабильность при сквозных замыканиях
• ✅ Надежность и время работы системы сохраняются во всем диапазоне уровней неисправностей
• ❌ Перегруженный ТТ насыщается → реле недосчитывает ток повреждения → задержка или сбой срабатывания
• ❌ Заниженная номинальная нагрузка → снижение эффективной ALF → "мертвая зона" защиты при высоких кратностях повреждения

Каковы наиболее распространенные ошибки расчета нагрузки в схемах защиты?

Контрольный список по установке и проверке

1. Измерьте фактическую длину кабеля - используйте чертежи по факту строительства, а не проектные расчеты; при прокладке в полевых условиях к расчетной длине добавляется 15-25%
2. Получите нагрузку реле из технического паспорта - не по памяти и не по спецификациям предыдущих проектов; модели реле значительно отличаются друг от друга
3. Примените температурную поправку к Rct и сопротивлению кабеля - всегда рассчитывайте при 75°C, а не при температуре окружающей среды
4. Учет всех клеммных колодок - особенно в сортировочных киосках с несколькими промежуточными клеммными колодками
5. Проверьте с помощью измерителя нагрузки во время ввода в эксплуатацию - измерьте фактическое сопротивление вторичного контура перед подачей напряжения
6. Проверьте параллельное подключение реле - Несколько реле на одной вторичной обмотке КТ снижают общую нагрузку, но требуют индивидуальной проверки

Распространенные ошибки, приводящие к сбоям в защите

• Используя паспортную табличку реле VA без температурной коррекции - сопротивление катушки электромеханического реле значительно увеличивается при рабочей температуре
• Игнорирование сопротивления обратного провода - коэффициент 2 в формуле расчета кабеля часто не учитывается, что вдвое снижает расчетную нагрузку на кабель
• При допущении, что нагрузка на числовое реле равна нагрузке на электромеханическое реле - Числовые реле потребляют на 10-50× меньше ВА; завышение требований к нагрузке приводит к лишним тратам, а занижение требований к замене устаревших реле - к ошибкам
• Невозможность пересчета нагрузки после переноса релейной панели - изменение длины кабеля во время строительства является распространенным явлением и должно вызывать перерасчет нагрузки
• Определение нагрузки на ТТ только на основании расстояния до релейной комнаты - забыв о промежуточных распределительных коробках, сортировочных киосках и испытательных клеммных блоках

Кейс клиента - менеджер по закупкам, промышленный нефтехимический завод:
Менеджер по закупкам на нефтехимическом предприятии на Ближнем Востоке заказал замену ТТ на основе оригинальной спецификации проекта 1995 года - 5 А вторичного тока, 15 ВА, класс 5P20. Релейная панель была перенесена в ходе расширения предприятия в 2018 году, в результате чего длина кабельных линий увеличилась с 12 до 38 м. Никто не пересчитал нагрузку. После замены ТТ защита от сверхтоков на фидере двигателя 11 кВ не сработала при фазовом замыкании, что привело к повреждению обмотки двигателя. Анализ после инцидента показал, что фактическая нагрузка составляла 28,4 ВА - почти вдвое больше, чем номинал ТТ 15 ВА. Теперь Bepto обеспечивает бесплатный анализ расчета нагрузки в рамках консультации по замене ККТ, Обеспечение точности спецификации перед размещением заказа.

Заключение

Расчет вторичной нагрузки ТТ - это не формальность, а основополагающий инженерный шаг, определяющий правильность работы всей схемы защиты МВ в условиях повреждения. Систематически учитывая нагрузку реле, сопротивление кабеля при рабочей температуре, сопротивление клеммной колодки и сверяя результат с номинальной нагрузкой ТТ и требованиями ALF, инженеры гарантируют, что трансформаторы тока будут выдавать точные и надежные сигналы, когда энергосистема больше всего нуждается в защите. Для распределительных сетей среднего напряжения, подстанций и промышленных установок правильное определение нагрузки является основой надежности защиты.

Вопросы и ответы о расчете вторичного бремени КТ

1. “IEC 61869-2:2012 Приборные трансформаторы - Часть 2: Дополнительные требования к трансформаторам тока”, https://webstore.iec.ch/publication/28612. Официальный международный стандарт, определяющий испытания и номинальные характеристики защитных трансформаторов тока. Роль доказательства: general_support; Тип источника: стандарт. Поддержка: номинальная нагрузка (Sₙ) защитного ТТ определяется при номинальном вторичном токе. ↩

2. “Система защиты 850 фидеров”, https://www.gegridsolutions.com/multilin/catalog/850.htm. Технические характеристики современных цифровых реле с указанием типичных значений потребляемой мощности. Роль доказательства: статистика; Тип источника: промышленность. Поддерживает: Современные числовые реле защиты обычно потребляют 0,1-0,5 ВА на фазу. ↩

3. “IEC 61869-2:2012 Приборные трансформаторы - Часть 2”, https://webstore.iec.ch/publication/28612. Стандарты IEC предписывают измерение сопротивления при 75°C для выравнивания термического класса. Роль доказательства: стандарт; Тип источника: стандарт. Подтверждает: измерено при 75°C в соответствии со стандартом IEC. ↩

4. “IEC 60085:2007 Электрическая изоляция - Тепловая оценка и обозначение”, https://webstore.iec.ch/publication/583. Определяет стандартные термические классы, включая класс E (120°C) и класс F (155°C) для электроизоляционных материалов. Роль доказательства: стандарт; Тип источника: стандарт. Поддерживает: Класс E (120°C) или Класс F (155°C). ↩

5. “Электрическое сопротивление и проводимость”, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity. База данных свойств материалов, показывающая стандартное удельное электрическое сопротивление меди при комнатной температуре. Роль доказательства: статистика; Тип источника: исследование. Опорные данные: удельное сопротивление меди = 0,0175 Ω-мм²/м. ↩