Як вибрати трансформатори з високою точністю для вимірювання?

Розуміння класів точності трансформаторів та стандартів

Розшифрування класів точності ТС: 0,1, 0,2 та 0,5 за МЕК 61869-2

Трансформатори струму поставляються зі стандартними класами точності, встановленими в керівництві IEC 61869-2. Ці класи представлені, як правило, числами, такими як 0,1, 0,2 та 0,5, і вказують на максимально допустиму похибку вимірювання струму при різних навантаженнях. Наприклад, трансформатор струму класу 0,1 забезпечує похибку не більше ±0,1 %, тоді як для класу 0,5 допустиме відхилення сягає до 0,5 % в обидва боки. Чим менше число, тим вища, як правило, точність. Прилади класу 0,1 зазвичай використовують у тих випадках, де особливо важлива фінансова точність, оскільки навіть незначні похибки безпосередньо впливають на розрахунки оплати. Клас 0,2 забезпечує достатню точність для важливих систем захисту без надмірних витрат, тоді як клас 0,5 цілком підходить для повсякденного контролю параметрів. Згідно зі стандартами, виробники зобов’язані проводити випробування цих пристроїв у діапазоні від 5 % до 120 % їх номінальної потужності, щоб забезпечити їх надійну роботу в реальних умовах експлуатації. Крім того, необхідно перевіряти не лише точність вимірювань, а й інші параметри, зокрема точність визначення кутів зсуву фаз та реакцію на зміни умов навантаження.

Як клас точності визначає максимальну допустиму похибку за номінальних умов

Клас точності, по суті, вказує на максимально можливу похибку (похибки за коефіцієнтом трансформації та за фазою, взяті разом), коли всі умови ідеальні — наприклад, у лабораторних умовах. Йдеться про вимірювання, проведені при номінальній частоті, при стандартній температурі близько 20 °C та за умови, що вторинне навантаження точно відповідає заданому значенню. Наприклад, трансформатор струму класу 0,2 зберігатиме похибку в межах 0,2 % лише за умови роботи при повному номінальному струмі та при вторинному навантаженні в межах ±25 % від заданого. Проте в реальних умовах показники швидко починають відхилятися від норми. Зміни навантаження, параметрів навантаження або температури навколишнього середовища — навіть незначні відхилення від ідеальних умов — можуть призвести до того, що обладнання працюватиме поза межами заявленого класу точності. Якщо навантаження вийде за допустимі межі допусків, класифікація взагалі втрачає чинність, і в реальних умовах експлуатації похибка вимірювань може зростати понад 0,5 %.

Ключові електричні параметри, що визначають точність трансформаторів у реальних умовах експлуатації

Узгодження навантаження та вторинний імпеданс: запобігання погіршенню точності

Правильний підбір навантаження має велике значення при розмові про трансформатори. Навантаження на вторинній обмотці зазвичай й є причиною тих неприємних проблем із точністю, які ми спостерігаємо на практиці. Якщо фактичне навантаження перевищує номінальне значення, вказане у вольт-амперах (ВА), ситуація швидко погіршується. Осердя насичується, що призводить до спотворення як коефіцієнта трансформації, так і вимірювань кута зсуву фаз. Візьмемо, наприклад, струмовий трансформатор класу точності 0,5. Якщо перевантажити його більш ніж на 40 %, він раптово починає працювати з точністю, характерною для трансформатора класу 0,8. Також не слід забувати й про імпеданс вторинного кола. Збільшення імпедансу призводить до більших втрат напруги у з’єднувальних проводах та котушках реле, що спотворює якість сигналу. Були випадки, коли навіть 20-відсоткове невідповідність викликало додаткову похибку близько 0,4 % лише в лічильниках комерційного обліку. Таке відхилення повністю порушує вимоги до класу точності 0,2. Для всіх, хто потребує високої точності, точне узгодження навантаження вже не є просто рекомендованою практикою — це абсолютно необхідна умова, щоб забезпечити відповідність обладнання вимогам стандарту IEC 61869-2 у нормальних умовах експлуатації.

Номінальний та фактичний діапазон струму: лінійність і похибка на низькому навантаженні у вимірювальних трансформаторах

Трансформатори, як правило, стають нелінійними, коли працюють поза діапазоном струмів, що відповідає їх «оптимальній робочій зоні». При струмах нижче приблизно 5 % від номінального значення в сердечнику просто не виникає достатнього збудження, що призводить до значних похибок. Навіть ті дорогі трансформатори класу 0,5 іноді можуть мати похибку понад 1 % при роботі на легких навантаженнях. На верхньому кінці діапазону ситуація також погіршується. Як тільки ми перевищуємо 120 % номінальної потужності, починає проявлятися магнітне насичення, що повністю порушує лінійність — зазвичай похибка при цьому зростає понад 2 %. Розглянемо, наприклад, типовий струмовий трансформатор (CT) з номінальним струмом 100 А. Він чудово працює в діапазоні приблизно від 10 А до 120 А, але якщо струм знизити до, скажімо, 5 А, похибка раптово перевищує 2 %. Щоб забезпечити високу точність, інженери мають вибирати трансформатори, у яких реальний робочий струм у експлуатації стабільно знаходиться в середній частині номінального діапазону, а не просто десь між мінімальним і максимальним значеннями. Такий підхід допомагає уникнути дратівливих похибок при низьких навантаженнях і запобігає втраті цілісності сигналу через проблеми, пов’язані з магнітним насиченням.

Екологічні та системні фактори, що впливають на продуктивність трансформатора

Температура, частота та гармоніки: кількісна оцінка відхилень від ідеальної точності

Трансформатори часто втрачають точність під впливом екологічних і системних навантажень, які значно перевищують параметри, встановлені в лабораторних випробуваннях. Зміни температури впливають як на проникність магнітопроводу, так і на опір обмоток. Наприклад, якщо температура підвищується всього на 8 °C понад нормальний робочий діапазон, це прискорює процес старіння ізоляції та призводить до помітних змін у коефіцієнтах трансформації згідно з IEC 60076-7:2023. Інша проблема пов’язана з нестабільністю частоти мережі, що досить поширена в слабких електричних мережах або ізольованих системах. Це призводить до похибок насичення магнітопроводу, особливо коли частота опускається нижче нормального рівня. Спеціальну складність створюють гармонійні спотворення. Треті та п’яті гармоніки при загальному коефіцієнті гармонійних спотворень понад 10 % спотворюють форму хвилі таким чином, що стандартні класи точності просто не враховують цих впливів. Постійні струми зміщення ще більше погіршують ситуацію, викликаючи залишкову намагніченість у магнітопроводах, що порушує можливість точно визначати моменти перетину хвиль нульової точки. Результати випробувань у реальних умовах також демонструють цікавий факт: трансформатори, які відповідають класу точності 0,5 у контрольованих лабораторних умовах, зазвичай забезпечують лише точність близько 1,0 при одночасному впливі всіх цих факторів — нагрівання, гармонійних спотворень та відхилень частоти. Щоб протидіяти цим проблемам, інженерам необхідно заздалегідь планувати зменшення номінальної потужності на 15–20 % у більш гарячих умовах експлуатації та встановлювати фільтри гармонік у разі перевищення загального коефіцієнта гармонійних спотворень 8 %.

Перевірка та визначення високоточних трансформаторів для критичних застосувань

Приклад практичного застосування: чому трансформатор струму класу 0,2 забезпечив точність рівня 0,5 у системі обліку електроенергії на підстанції

Проект вимірювання енергії на підстанції зазнав серйозних проблем із точністю, коли трансформатор струму (ТС) класу 0,2 продемонстрував лише точність рівня 0,5. Після детального аналізу ми виявили, що на об’єкті фактично виникло три різні проблеми, які не були враховані під час калібрування на заводі. По-перше, рівень гармонійних спотворень перевищив 15 % загальних гармонійних спотворень (THD) через велику кількість нелінійних навантажень у мережі, що призвело до похибок кута зсуву фаз, які зовсім не виявляються при звичайних випробуваннях на похибку коефіцієнта трансформації. По-друге, виникла проблема з температурним режимом: обладнання працювало в умовах, де температура коливалася від −10 °C до +50 °C, що викликало зміни магнітної проникності осердя й додаткову похибку коефіцієнта трансформації в 0,1 % понад вказану в технічних характеристиках. І, по-третє, вторинне навантаження склало 4,5 ВА — на 40 % більше за номінальне значення ТС, що становить 3,2 ВА. Ця розбіжність призвела до зростання зсуву фаз на 0,3 градуса й суттєво погіршила загальну точність. Усі ці фактори разом зумовили перевищення загальної похибки граничного значення 0,2 %. Цей випадок нагадує нам важливу річ: те, що пристрій проходить лабораторні випробування, ще не означає, що він буде працювати бездоганно в реальних умовах експлуатації. При виконанні критично важливих вимірювань електроенергії технічні специфікації мають враховувати реальні спектри гармонік, практично досяжні температурні діапазони та фактичні значення вторинного навантаження замість того, щоб спиратися виключно на дані, вказані на табличці обладнання.

ЧаП

Що таке класи точності ТС?
Класи точності ТС, такі як 0,1, 0,2 та 0,5, позначають максимально допустиму похибку струмових трансформаторів згідно зі стандартом IEC 61869-2. Чим менше число, тим вища точність вимірювання.

Чому узгодження навантаження є важливим для трансформаторів?
Узгодження навантаження забезпечує відповідність навантаження вторинної обмотки трансформатора його номінальній потужності, запобігаючи насиченню магнітопроводу та зберігаючи точність.

Як екологічні чинники впливають на точність трансформаторів?
Такі чинники, як зміни температури, нестабільність частоти та спотворення гармоніками, можуть призводити до зниження точності трансформаторів шляхом зміни магнітної проникності магнітопроводу та опору обмоток.