Как да изберете трансформатори с висока точност за измерване?

Разбиране на класовете точност и стандарти за трансформатори

Декодиране на класовете точност на ТТ: 0,1, 0,2 и 0,5 според IEC 61869-2

Трансформаторите за ток се доставят със стандартни класове на точност, определени в насоките IEC 61869-2. Тези класове представляват числа като 0,1, 0,2 и 0,5, които показват колко голяма е допустимата грешка при измерване на тока при различни натоварвания. Например трансформатор за ток от клас 0,1 поддържа точност в рамките на около ±0,1 %, докато моделът от клас 0,5 може да отклонява до половин процент в двете посоки. Колкото по-малко е числото, толкова по-висока е обикновено точността. Устройствата от клас 0,1 се използват най-често там, където паричните въпроси имат първостепенно значение, тъй като дори малки грешки оказват пряко влияние върху сметките за разплащане. Клас 0,2 осигурява достатъчна точност за важни системи за защита, без да води до прекомерни разходи, докато клас 0,5 е напълно подходящ за ежедневни задачи по наблюдение. Според стандарта производителите трябва да изпробват тези устройства в диапазон от 5 % до 120 % от номиналната им мощност, за да се гарантира правилното им функциониране в реални условия. Освен това те трябва да проверяват не само точността на измерването, но и други параметри, включително точността при измерване на ъглите на фазите и отговора при промени в натоварването.

Как класът на точност определя максималната допустима грешка при номинални условия

Класът на точност по същество ни показва каква е максимално възможната грешка (както грешката в коефициента на трансформация, така и фазовата грешка, взети заедно), когато всичко е идеално в лабораторни условия. Става дума за измервания, извършени при номиналната честота, стандартна температура около 20 °C и при точно съответстваща вторична натовареност. Вземете за пример трансформатор за ток от клас 0,2. Това устройство ще поддържа грешката в рамките на 0,2 % само ако работи при пълен номинален ток и вторичната натовареност остава в границите на ±25 % спрямо зададената стойност. Обаче в реални условия несъвършенствата се проявяват доста бързо. При промени в товара, настройките на натовареността или околната температура дори незначителни отклонения от идеалните условия могат да доведат до работа на оборудването извън декларираните му класови спецификации. Ако натовареността излезе извън допустимите допуски, цялата класификация става недействителна и при действителна експлоатация на полето можем да наблюдаваме израстване на измервателните грешки над 0,5 %.

Ключови електрически параметри, които определят реалната точност на трансформаторите

Съгласуване на натоварването и вторичното съпротивление: предотвратяване на намаляване на точността

Правилното определяне на натоварването има голямо значение при разговори за трансформатори. Натоварването върху вторичната намотка обикновено е причината за досадните проблеми с точността, които се наблюдават в практиката. Ако действителното натоварване надвиши номиналната стойност, изразена в VA, нещата започват бързо да се развалят. Сърцевината се наситява, което нарушава както измерванията на коефициента на трансформация, така и на ъгъла между фазите. Вземете за пример токов трансформатор от клас 0,5: ако го претоварите с повече от 40 %, той изведнъж започва да функционира като устройство от клас 0,8. Не забравяйте и за импеданса на вторичната страна. По-високият импеданс води до по-големи напрежения на падане по свързващите кабели и през намотките на релета, което изкривява качеството на сигнала. Имаме случаи, при които само 20 % несъответствие в импеданса добавя около 0,4 % грешка дори само в уредите за търговско измерване на електроенергия. Такава отклонение напълно изключва съответствието с клас 0,2. За всеки, който има нужда от сериозна прецизност, точното съгласуване на натоварването вече не е просто добра практика — то е абсолютно задължително, ако оборудването трябва да остава в рамките на изискванията на стандарта IEC 61869-2 при нормални условия на експлоатация.

Номинален срещу действителен токов диапазон: Линейност и грешка при измерване при ниско натоварване в измервателни трансформатори

Трансформаторите обикновено стават нелинейни, когато работят извън оптималния си токов диапазон. При токове под около 5 % от номиналната им стойност просто не възниква достатъчно възбуждане на магнитното ядро, което води до значителни грешки. Дори онези скъпи трансформатори от клас 0,5 понякога могат да имат грешка над 1 % при работа с леки натоварвания. Отгоре също се влошава ситуацията: след като преминем 120 % от номиналната мощност, настъпва магнитно наситяване и напълно нарушава линейността, като отклоненията обикновено надхвърлят 2 %. Вземете за пример типичен токов трансформатор (ТТ) с номинален ток 100 А. Той работи отлично в диапазона от около 10 А до 120 А, но ако токът спадне до, да речем, 5 А, изведнъж грешката надхвърля 2 %. За да се осигури висока точност, инженерите трябва да избират трансформатори, чийто реален работен ток попада удобно в средата на номиналния диапазон, а не просто някъде между минималната и максималната стойност. Този подход помага да се избегнат досадните неточности при слабо натоварване и предотвратява проблемите с наситяването, които биха нарушили цялостта на сигнала.

Екологични и системни фактори, влияещи върху производителността на трансформаторите

Температура, честота и хармоници: количествено определяне на отклоненията от идеалната точност

Трансформаторите често губят точност при излагане на екологични и системни напрежения, които значително надхвърлят тези, посочени в лабораторните изпитания. При промяна на температурата се влияят както магнитната проницаемост на сърцевината, така и съпротивлението на намотките. Например, ако температурата се повиши само с 8 °C над нормалния работен диапазон, това ускорява стареенето на изолацията и предизвиква забележими промени в измервателните коефициенти според IEC 60076-7 от 2023 г. Друг проблем произтича от нестабилност на мрежовата честота, която е доста разпространена в слаби мрежи или изолирани системи. Това води до грешки от наситяване на сърцевината, особено когато честотата падне под нормалните стойности. Хармоничните изкривявания създават напълно отделен сложен проблем. Трети и пети хармоници над 10 % общо хармонично изкривяване (THD) всъщност деформират формата на вълновата форма по начин, който стандартните класове на точност просто не отчитат. Токовете с постояннотокова компонента усилват проблема, като създават остатъчна намагнитеност в сърцевините, което нарушава способността за прецизно определяне на моментите, в които вълновата форма пресича нулевите точки. Реалното тестване показва и нещо интересно: трансформаторите, които отговарят на клас 0.5 в контролирани лабораторни условия, обикновено постигат само точност от около клас 1.0 при работа в реални условия с всички тези комбинирани напрежения – включително топлина, хармоници и вариации в честотата. За борба с тези проблеми инженерите трябва да планират предварително – като намалят капацитета на товара с около 15–20 % при по-горещи инсталации и да монтират филтри за хармоници, когато общото хармонично изкривяване надхвърли 8 %.

Валидиране и специфициране на високоточни трансформатори за критични приложения

Случай от практиката: Защо трансформатор за ток от клас 0.2 осигури точност на ниво 0.5 при енергийното измерване в подстанция

Проектът за измерване на енергията в подстанция срещна сериозни проблеми с точността, когато трансформатор за ток (ТТ) от клас 0,2 показа действителна точност само на ниво 0,5. След детайлен анализ установихме, че на място имаше всъщност три различни проблема, които не бяха взети предвид по време на фабричната калибрация. Първо, нивото на хармонични изкривявания надхвърли значително 15 % общо хармонично изкривяване (THD) поради наличието на множество нелинейни натоварвания, което предизвика грешки в ъгъла на фазата — грешки, които обикновените изпитания за грешка в коефициента напълно пропускат. Второ, възникна и проблем с температурата: оборудването трябваше да работи при температури от –10 °C до 50 °C, а тези колебания предизвикаха промени в магнитната проницаемост на сърцевината, които добавиха допълнителна грешка в коефициента от 0,1 % към вече зададената стойност. И накрая, вторичното натоварване се оказа 4,5 VA, което е с 40 % по-високо от номиналното натоварване на ТТ от 3,2 VA. Това несъответствие доведе до увеличение на фазовото изместване с 0,3 градуса и сериозно намали общата точност. Всички тези фактори заедно изместиха общата грешка над ограничението от 0,2 %. От това следва важен урок: фактът, че дадено оборудване успешно минава лабораторни изпитания, не означава, че то ще функционира безупречно в реални експлоатационни условия. При критичните измервания на електрическа мощност техническите спецификации трябва да отчитат действителните хармонични профили, реалистичните температурни диапазони и измерените стойности на вторичното натоварване, а не да се основават изключително на данните, посочени на табелката на оборудването.

ЧЗВ

Какви са класовете за точност на трансформаторите за ток?
Класовете за точност на трансформаторите за ток, като например 0.1, 0.2 и 0.5, обозначават максимално допустимата грешка на трансформаторите за ток според стандарта IEC 61869-2. Колкото по-малко е числото, толкова по-точно е измерването.

Защо е важна съвместимостта на натоварването за трансформаторите?
Съвместимостта на натоварването гарантира, че натоварването на вторичната намотка на трансформатора съответства на неговата номинална мощност, предотвратявайки наситяване на сърцевината и запазвайки точността.

Какви са влиянията на околните фактори върху точността на трансформаторите?
Фактори като промени в температурата, нестабилност на честотата и хармонични изкривявания могат да доведат до намаляване на точността на трансформаторите чрез промяна на проницаемостта на сърцевината и съпротивлението на намотките.