Kuidas valida mõõtmiseks kõrga täpsusega transformaatoreid?

Transformaatori täpsusklasside ja standardite mõistmine

CT täpsusklasside dekodeerimine: 0,1, 0,2 ja 0,5 vastavalt IEC 61869-2-le

Praeguslikud transformaatorid on varustatud standardsete täpsusklassidega, mis on sätestatud IEC 61869-2 juhendis. Need klassid on põhimõtteliselt numbrilised väärtused nagu 0,1, 0,2 ja 0,5, mis näitavad, kui suur mõõtemääramise viga on lubatud erinevate koormuste korral. Näiteks jääb klassi 0,1 märgistusega praeguslik transformaator (CT) ligikaudu plussmiinus 0,1% piires, samas kui klassi 0,5 versioon võib kõrvale kalduda kuni poole protsendi võrra mõlemas suunas. Mida väiksem on number, seda parem on üldjuhul täpsus. Klassi 0,1 seadmeid kasutatakse tavaliselt seal, kus rahaline külg on kõige olulisem, sest isegi väikesed vead mõjutavad arvutuslikult arveldust otse. Klassi 0,2 seadmed pakuvad piisavat täpsust oluliste kaitse süsteemide jaoks ilma liialt kalliks läinud, samas kui klassi 0,5 seadmed sobivad igapäevase jälgimise ülesannete jaoks. Standardite kohaselt peavad tootjad testima neid seadmeid nii 5% kui ka 120% oma nimivõimsuse vahemikus, et tagada nende töökindlus reaalsetes tingimustes. Samuti tuleb kontrollida mitte ainult mõõtmise täpsust, vaid ka teisi tegureid, sealhulgas faasinurkade käsitlumist ja reageerimist koormustingimuste muutustele.

Kuidas täpsusklass määrab maksimaalse lubatava vea nimetatud tingimustel

Täpsusklass näitab põhimõtteliselt maksimaalset võimalikku viga (nii suhtarvukui faasiviga kokku), kui kõik on laboritingimustes täiuslik. Me räägime mõõtmistest nimetatud sagedusel, standardtemperatuuril umbes 20 kraadi Celsiuse järgi ja siis, kui sekundaarne koormus vastab täpselt sellele, milleks see on mõeldud. Võtame näiteks klassi 0,2 voolutransformaatori. See seade jääb 0,2-protsendilise veamarginaali piiresse ainult siis, kui see töötab täielikul nimetatusel voolul ja sekundaarne koormus jääb täpsustatud koormustasemest pluss- või miinus 25 protsendi piiresse. Tegelikud maailma tegurid aga põhjustavad kiiresti olukorra muutumist. Koormuse, koormusseadete või ümbritseva temperatuuri muutumisel võib isegi väikest erinevust ideaaltingimustest põhjustada seadme tööd väljaspool sellele antud klassifikatsiooni spetsifikatsioone. Kui koormus läheb lubatud tolerantside piiridest välja, kaob terviklik klassifikatsioon kehtivuse kaotades ja tegelikus väljatöös võivad mõõtmisvead tõusta üle 0,5 protsendi.

Põhielektroonilised parameetrid, mis määravad reaalse maailma transformaatori täpsuse

Koormuse sobitus ja sekundaarimpedants: täpsuse halvenemise ennetamine

Koormuse õige määramine on oluline, kui räägime transformaatoritest. Sekundaarkäigu koormus põhjustab tavaliselt neid tülikaid täpsusprobleeme, mida praksis sageli näeme. Kui tegelik koormus ületab nimiväärtust VA ühikutes, hakkavad asjad kiiresti valesti minema. Südamik satub küllastusse, mis moonutab nii suhtarvu kui ka faasinurga mõõtmisi. Võtke näiteks klassi 0,5 voolutransformaator. Kui selle koormus ületab nimikoormust 40%, siis muutub see äkki hoopis klassi 0,8 üksuseks. Ärge unustage ka sekundaarkäigu takistust. Suurem takistus tähendab suuremaid pingekadusid ühendusjuhtmetes ja releede mähistes, mis moonutab signaali kvaliteeti. Oleme näinud juhtusid, kus lihtsalt 20% takistuse mittesobivus teeb arvutusmõõteriistades üle 0,4% vea. Selline kõrvalekalle teeb klassi 0,2 vastavuse täiesti võimatuks. Kõigile, kes vajavad tõeliselt täpsust, ei ole koormuse sobitamine täpselt õigeks enam lihtsalt hea tavaks. See on täiesti oluline, et nende seadmed jääksid normaalsete töötingimuste korral vastavusse IEC 61869-2 standardiga.

Nominaalne vs. tegelik vooluvahemik: mõõtekonverterite lineaarsus ja väikese koormusega mõõtemääramatuse viga

Transformaatorid muutuvad sageli mittelineaarseteks, kui nad töötavad oma optimaalse vooluvaldkonna (sweet spot) väljaspool. Vooludes, mis on umbes 5% nende nimivoolust, ei toimu südamikus piisavalt magnetilist ärritust, mis põhjustab olulisi vigu. Isegi kõrgklassilised 0,5 klassi transformaatorid võivad mõnikord kergelt koormusel ületada 1% täpsusviga. Ülekoormuse korral halveneb olukord veelgi. Kui vool ületab 120% nimivoolust, tekib magnetiline küllastumine, mis hävitab täielikult lineaarsuse ja põhjustab tavaliselt hälbe tõusu üle 2%. Võtame näiteks tüüpilise 100 A nimivooluga takistusliku voolutransformaatori (CT). See töötab suurepäraselt umbes 10 A-st kuni 120 A-ni, kuid kui vool langeb näiteks 5 A-ni, siis vea suurus ületab äkki 2%. Et tagada täpsus, peavad insenerid valima transformaatorid, mille tegelik töövool jääb kindlalt nimivoolu vahemiku keskkohale, mitte lihtsalt kuhugi vahemikku nimiminimumi ja nimimaksimumi vahel. Selline lähenemine aitab vältida tüütavaid väikese koormusega seotud täpsusvigusid ja säilitada signaali terviklikkus, hoiates küllastumisprobleemid eemal.

Transformatore toimimist mõjutavad keskkonnasüsteemi ja süsteemitaseme tegurid

Temperatuur, sagedus ja üleskõrged: ideaalse täpsuse kõrvalekaldumiste kvantifitseerimine

Transformaatorid kaotavad sageli täpsuse, kui neile mõjub keskkonna- ja süsteemikoormus, mis ulatub palju kaugemale kui laboritingimustes määratud piirid. Temperatuurimuutused mõjutavad nii südamiku läbitavust kui ka keermestuse takistust. Näiteks põhjustab temperatuuri tõus vaid 8 °C võrra normaalse töörežiimi üle kiirendatud isoleerumise vananemist ning märkimisväärseid muutusi mõõtemääras vastavalt IEC 60076-7 standardile (2023). Teine probleem tuleneb võrgusageduse ebastabiilsusest, mis on üsna levinud nõrkades võrkudes või eraldatud süsteemides. See põhjustab südamiku küllastumisvigu, eriti siis, kui sagedus langeb alla normaalsed tasemed. Harmoonilised moonutused teevad asjast veelgi keerukama. Kolmandad ja viiendid harmoonikud, mille koguharmooniline moonutus ületab 10%, moonutavad lainekuju selliselt, et tavapärased täpsusklassid seda lihtsalt ei arvesta. Väljatõmmatud alalisvoolu komponendid teevad olukorda veelgi halvemaks, tekitades südamikus jäävmagnetismi, mis häirib lainekujude nullpunkti ületamise tuvastamist. Tegelikku testimist tehes ilmneb huvitav tulemus: transformaatorid, mis kontrollitud laboritingimustes vastavad 0,5 klassi nõuetele, saavutavad kõigi nende kombineeritud koormuste – sealhulgas soojus, harmoonikud ja sagedusmuutused – korral tavaliselt vaid umbes 1,0 täpsusklassi. Nende probleemide vastu võitlemiseks peavad insenerid ette nägema koormusetugevuse vähenemist umbes 15–20 protsenti soojemates paigaldustes ning paigaldama harmoonikafiltrid iga kord, kui koguharmooniline moonutus ületab 8 protsenti.

Kõrgtäpsusega transformaatorite kehtestamine ja spetsifitseerimine kriitilistele rakendustele

Juhtumiuuring: miks andis klassi 0,2 voolutransformaator alajaamade energiamõõtmisel 0,5-taseme täpsuse

Energiamõõtmisprojekt jaamajas jõudis tõsisesse probleemi täpsusega, kui klassi 0,2 voolutransformaator (VT) tegelikult töötas ainult 0,5-täpsusklassis. Pärast ülevaatust selgus, et väliolukorras oli tegelikult kolm erinevat probleemi, mida tehases kalibreerimisel ei arvestatud. Esiteks ületasid harmoonilise moonutuse tasemed oluliselt 15% THD-d kõigi nende mitte-lineaarsete koormuste tõttu, mis põhjustasid faasinurga veasid, mida tavalised suhtarvuveadega seotud testid täiesti mööda läksid. Teiseks oli ka temperatuuriprobleem: seadmed peavad taluma temperatuuri kõikumisi -10 °C-st kuni 50 °C-ni, mis põhjustas südamiku läbitavuse muutusi ja lisas täpsusvea 0,1% ulatuses sellele, mis juba spetsifikatsioonis oli määratud. Kolmandaks osutus sekundaarne koormus 4,5 VA suuruseks, mis on 40% suurem kui VT lubatud 3,2 VA koormus. See erinevus põhjustas faasinihke suurenemise 0,3 kraadi võrra ja kahandas oluliselt üldist täpsust. Kõik need tegurid kokku tõstsid kogu vea üle 0,2% piiri. Sellest saab õppida olulist: sellest, et seade läbib laboritingimustes testid, ei tulene veel seda, et see töötab täiuslikult reaalsetes tingimustes. Kriitiliste võimsusmõõtmiste puhul tuleb spetsifikatsioonides arvesse võtta tegelikke harmoonilisi profiile, reaalsete temperatuurivahemike ja tegelikke koormusmõõtmisi ning mitte toetuda ainult seadme etiketil trükitud andmetele.

KKK

Mis on CT täpsusklassid?
CT täpsusklassid, näiteks 0.1, 0.2 ja 0.5, tähistavad voolutransformaatorite maksimaalset lubatud viga vastavalt IEC 61869-2 standardile. Mida väiksem on number, seda täpsem on mõõtmine.

Miks on koormuse sobitamine transformaatorite puhul oluline?
Koormuse sobitamine tagab, et transformaatori sekundaarvööndi koormus vastab selle nimivõimsusele, vältides südamiku küllastumist ja säilitades täpsuse.

Kuidas mõjutavad keskkonnategurid transformaatorite täpsust?
Tegurid, nagu temperatuuri muutused, sageduse ebastabiilsus ja harmoonilised moonutused, võivad vähendada transformaatorite täpsust, muutes südamiku läbitavust ja keermestuse takistust.