Hogyan válasszunk mérésre alkalmas, magas pontosságú transzformátorokat?

A transzformátorpontossági osztályok és szabványok megértése

Az áramváltók pontossági osztályainak értelmezése: 0,1, 0,2 és 0,5 az IEC 61869-2 szerint

A áramváltók szabványos pontossági osztályozással rendelkeznek, amelyet az IEC 61869-2 irányelv határoz meg. Ezek az osztályozások alapvetően olyan számok, mint például a 0,1, 0,2 és 0,5, amelyek azt jelzik, hogy milyen mértékű hiba engedhető meg az árammérés során különböző terhelések mellett. Például egy 0,1-es osztályú áramváltó (CT) mérési hibája körülbelül ±0,1%-on belül marad, míg egy 0,5-ös osztályú eszköz hibája akár ±0,5%-ig is elérheti mindkét irányban. Általában minél kisebb a szám, annál nagyobb a pontosság. A 0,1-es osztályú egységeket általában ott alkalmazzák, ahol a pénzügyi szempontok a legfontosabbak, mivel még a kis mérési hibák is közvetlenül befolyásolják a számlázási számításokat. A 0,2-es osztályú áramváltók elegendő pontosságot nyújtanak fontos védőrendszerekhez, anélkül, hogy túlzottan megnövelnék a költségeket, míg a 0,5-ös osztályú eszközök jól alkalmazhatók mindennapi felügyeleti feladatokra. A szabványok szerint a gyártóknak az eszközöket a névleges kapacitásuk 5%-ától egészen a 120%-áig terjedő teljes terhelési tartományban kell tesztelniük, hogy biztosítsák a megfelelő működést a valós körülmények között. Emellett nemcsak a mérési pontosságot, hanem más tényezőket is ellenőrizniük kell, például a fázisszögek kezelésének minőségét és a terhelési feltételek változásaira adott válaszreakciót.

Hogyan határozza meg az osztálypontosság a névleges feltételek melletti legnagyobb megengedhető hibát

Az osztálypontosság alapvetően azt jelzi, mi a maximális lehetséges hiba (arány- és fázishiba együttesen), amikor minden tökéletes a laboratóriumi környezetben. Ez azt jelenti, hogy a méréseket a névleges frekvencián, szokásos hőmérsékleten (kb. 20 °C) és akkor végezzük, ha a másodlagos terhelés pontosan megegyezik a megadott értékkel. Vegyük példaként egy 0,2-es osztályú áramtranszformátort (CT-t). Ez az eszköz csak akkor marad a megengedett 0,2 százalékos hibahatáron belül, ha névleges teljes áramerősséggel működik, és a terhelése a megadott érték ±25 százalékán belül marad. Azonban a gyakorlati körülmények beavatkozásával a teljesítmény gyorsan elkezd eltérni az ideáltól. Ha a terhelés, a terhelésbeállítás vagy a környező hőmérséklet megváltozik, akkor már kisebb eltérések is okozhatnak olyan működési eltéréseket, amelyek a megadott osztályba tartozó specifikációkat meghaladják. Ha a terhelés túllépi a megengedett tűréshatárokat, az egész osztályozás érvénytelenné válik, és a gyakorlati üzemelés során a mérési hibák akár 0,5 százalék fölé is emelkedhetnek.

A valós idejű transzformátor pontosságát meghatározó fő elektromos paraméterek

Terhelésillesztés és szekunder impedancia: a pontosság romlásának megelőzése

A terhelés megfelelő meghatározása nagyon fontos a transzformátorokkal kapcsolatos beszélgetések során. A szekunder tekercs terhelése általában az oka azoknak a gyakorlatban észlelhető pontatlansági problémáknak, amelyekkel találkozunk. Ha a tényleges terhelés meghaladja a VA egységben megadott névleges értéket, a hibák gyorsan jelentkeznek. A mag telítődik, ami torzítja mind az áttételt, mind a fázisszöget. Vegyük példaként egy 0,5 osztályú áramtranszformátort: ha a terhelést 40 %-kal meghaladjuk a névleges érték fölé, hirtelen már egy 0,8 osztályú készülékként viselkedik. Ne feledjük a szekunder impedanciát sem: a magasabb impedancia nagyobb feszültségeséseket eredményez a csatlakozó vezetékek mentén és a relék tekercseiben, ami rombolja a jelminőséget. Olyan eseteket is láttunk, amikor csupán egy 20 %-os illesztési eltérés kizárólag a számlázó mérőkörökben kb. 0,4 %-os hibát okozott. E mértékű eltérés teljesen kizárja a 0,2 osztályú megfelelőséget. Akinek különösen nagy pontosságra van szüksége, az terhelésillesztés pontos meghatározása nem csupán ajánlott gyakorlat többé – hanem feltétlenül szükséges ahhoz, hogy a berendezésük a normál üzemfeltételek mellett is megfeleljen az IEC 61869-2 szabvány előírásainak.

Névleges és tényleges áramerősség-tartomány: A mérőtranszformátorok lineáris viselkedése és kis terhelésnél fellépő hibája

A transzformátorok általában nemlineáris működésbe kerülnek, ha a működési áramtartományukon kívül működnek. Azoknál az áramoknál, amelyek kb. 5%-ot sem érnek el a névleges értékükből, egyszerűen nem történik elegendő maggerjesztés, ami jelentős hibákat eredményez. Még az úgynevezett 0,5-ös osztályú transzformátorok is néha több mint 1%-os hibát mutathatnak kis terhelés mellett. A felső határon szintén romlik a helyzet. Ha a névleges teljesítmény 120%-át meghaladjuk, a mágneses telítődés bekapcsolódik, és teljesen megzavarja a lineáris viselkedést, általában a torzulások 2% feletti értékeket érnek el. Vegyünk példaként egy 100 A névleges áramú áramtranszformátort: ez kiválóan működik kb. 10 A-tól egészen 120 A-ig, de ha lejjebb megyünk, például 5 A-re, a hiba hirtelen 2% fölé emelkedik. Az pontos mérés érdekében a mérnököknek olyan transzformátorokat kell választaniuk, amelyeknél a gyakorlatban előforduló működési áram kényelmesen a névleges tartomány közepén helyezkedik el, nem csupán bármelyik érték a minimális és maximális határ között. Ez a megközelítés segít elkerülni az idegesítő kis terheléshez kapcsolódó pontatlanságokat, és megakadályozza, hogy a telítődés problémái tönkretegyék a jelminőséget.

Környezeti és rendszerszintű tényezők, amelyek hatással vannak a transzformátor teljesítményére

Hőmérséklet, frekvencia és harmonikusok: az ideális pontosságtól való eltérések mennyiségi meghatározása

A transzformátorok gyakran elvesztik pontosságukat, amikor olyan környezeti és rendszerterheléseknek vannak kitéve, amelyek jelentősen meghaladják a laboratóriumi vizsgálatokban megadott értékeket. A hőmérsékletváltozások hatással vannak mind a mag permeabilitására, mind a tekercsek ellenállására. Például ha a hőmérséklet csupán 8 °C-kal emelkedik a normál üzemelési tartomány fölé, ez felgyorsítja az izoláció öregedését, és észrevehető változásokat okoz a mérési arányokban az IEC 60076-7 (2023) szabvány szerint. Egy másik problémát a hálózati frekvencia-instabilitás okozza, amely gyakori gyengén kapcsolt vagy elkülönített rendszerekben fordul elő. Ez magtelítési hibákhoz vezet, különösen akkor, ha a frekvencia a normál szint alá csökken. A harmonikus torzítások egy teljesen más, bonyolult kérdést vetnek fel. A harmadik és ötödik rendű harmonikusok – ha a teljes harmonikus torzítás 10 %-nál nagyobb – olyan módon torzítják a jelalakot, amit a szokásos pontossági osztályozások egyszerűen nem vesznek figyelembe. A DC-offset áramok tovább súlyosbítják a helyzetet, mivel maradó mágnesességet indukálnak a magban, ami zavarja a nullaátmenetek érzékelését. A gyakorlati tesztek érdekes eredményt mutatnak: a laboratóriumi körülmények között a 0,5-ös osztálynak megfelelő transzformátorok valós üzemi körülmények között – a hőmérséklet-emelkedés, a harmonikusok és a frekvenciaváltozások együttes hatása mellett – általában csak körülbelül 1,0-es pontosságot érnek el. Ezeknek a problémáknak a kezelésére a mérnököknek előre kell tervezniük: a meleg környezetben történő üzemeléshez kb. 15–20 százalékkal csökkenteni kell a terhelési kapacitást, és harmonikus-szűrőket kell telepíteni, ha a teljes harmonikus torzítás meghaladja a 8 százalékot.

Pontos transzformátorok érvényesítése és megadása kritikus alkalmazásokhoz

Esettanulmány: Miért ért el egy 0,2-es osztályú áramtranszformátor 0,5-ös osztályú pontosságot a transzformátorállomási energiafogyasztás-mérésnél

Egy alállomáson végzett energiamérési projekt súlyos pontossági problémákba ütközött, amikor egy 0,2-es osztályú áramváltó (CT) csak 0,5-ös osztálypontossággal működött. A vizsgálatok során kiderült, hogy a gyári kalibrálás során figyelmen kívül hagyott három különböző, ténylegesen a mezőn jelentkező probléma volt. Először is a harmonikus torzítás szintje jelentősen meghaladta a 15%-os összes harmonikus torzítási arányt (THD) a környező nemlineáris terhelések miatt, ami fázisszög-hibákat eredményezett, amelyeket a szokásos arányhibatesztek teljesen figyelmen kívül hagytak. Másodszor problémát jelentett a hőmérséklet is: a berendezésnek -10 °C-tól akár +50 °C-ig terjedő hőmérséklet-ingerekkel kellett megbirkóznia, ami a mag permeabilitásának változását okozta, és ezzel további 0,1%-os arányhiba lépett fel a már megadott értéken felül. Végül a másodlagos terhelés 4,5 VA-ra adódott, azaz 40%-kal magasabb, mint az áramváltó 3,2 VA-os névleges értéke. Ez a különbség 0,3 fokos fáziseltolódás-növekedést eredményezett, és komolyan rontotta az általános pontosságot. Mindezek együttesen a teljes hibát meghaladóvá tették a megengedett 0,2%-os határt. Ennek a tapasztalatnak fontos tanulsága az, hogy egy berendezés laboratóriumi teszten való átmenete nem jelenti azt, hogy tökéletesen fog működni a valós körülmények között. A kritikus teljesítménymérések esetében a műszaki specifikációknak figyelembe kell venniük a tényleges harmonikus profilokat, a valóságos hőmérséklet-tartományokat és a tényleges terhelési méréseket, nem pedig kizárólag a berendezés címkéjén feltüntetett adatokra támaszkodniuk.

GYIK

Mi az áramváltók pontossági osztályai?
Az áramváltók pontossági osztályai – például 0,1, 0,2 és 0,5 – az IEC 61869-2 szabvány szerint megadott maximálisan engedélyezett hibát jelölik. Minél kisebb a szám, annál pontosabb a mérés.

Miért fontos a terhelés illesztése az áramváltóknál?
A terhelés illesztése biztosítja, hogy az áramváltó másodlagos tekercsének terhelése összhangban legyen a névleges teljesítményével, ezzel elkerülve a mag telítődését és fenntartva a pontosságot.

Hogyan befolyásolják a környezeti tényezők az áramváltók pontosságát?
A hőmérsékletváltozások, a frekvencia-ingadozások és a harmonikus torzítások például a vasmag permeabilitásának és a tekercsek ellenállásának megváltozásával csökkenthetik az áramváltók pontosságát.