Измерительные трансформаторы в цепях учета - Обслуживание индукционных счетчиков и цепей учета в электроустановках

Рассмотрим кратко некоторые вопросы, касающиеся применения измерительных трансформаторов для учета электроэнергии.
У трансформаторов тока начало и конец, первичной обмотки обозначаются индексами Л1 и Л2 (линия), а начало и конец вторичной обмотки — соответственно И1 и И2 (измерение). Зажимы Л1 и И1однополярны. Это значит, что направление тока во внешней цепи, подключенной к зажимам И1 и И2, совпадает с направлением тока первичной цепи Л1—Л2. Так, если зажим Л1 является генераторным, то генераторным будет и зажим И1. В распределительных устройствах принято устанавливать трансформаторы тока зажимом Л1 в сторону сборных шин. Тогда зажим И1 является генераторным при положительном направлении мощности. У встроенных трансформаторов тока однополярными являются верхний зажим первичной цепи («верх») и зажим А вторичной обмотки.
На паспортной табличке трансформатора тока указывается его коэффициент трансформации в виде отношения номинальных первичного и вторичного токов. Номинальный вторичный ток трансформаторов тока обычно разен 5 А.. В некоторых случаях для электроустановок; 110 кВ и выше изготовляют трансформаторы тока с номинальным током вторичной обмотки 1 А. Номинальный ток счетчика должен соответствовать номинальному току вторичной обмотки трансформатора тока. Вторичные обмотки трансформаторов тока при косвенном и полу косвенном включении счетчиков (с раздельным присоединением цепей напряжения) должны заземляться.
Как известно, обычно трансформатор тока выбирается с условием, чтобы его вторичный ток не превышал 110% номинального. С другой стороны, трансформаторы тока, выбранные с завышенными коэффициентами трансформации с учетом тока КЗ, при малых вторичных токах имеют повышенные погрешности. Согласно ПУЭ [2] при максимальной нагрузке присоединения вторичный ток должен составлять не менее 40% от номинального ток а счетчик, а при минимальной - не менее 5%.
Пример 1. Необходимо выполнить учет электроэнергии на силовом трансформаторе 630 кВ*А, 10/0,4 кВ. Мощность нагрузки трансформатора изменяется от 80 кВ*А до номинальной. Ячейка трансформатора оборудована трансформаторами тока с Ki = 100/5. Требуется проверить их пригодность.
Номинальный первичный ток трансформатора по стороне 10 кВ.

Ток минимальной нагрузки

Вторичный ток, при номинальной нагрузке

Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Вторичный ток при минимальной нагрузке

Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Таким образом, трансформатор тока нужно заменить трансформатором тока с К1 = 75/5 или 50/5.
Встречаются случаи, когда трансформаторы тока, выбранные с учетом тока КЗ или характеристик релейной защиты, не обеспечивают точность учета из-за завышенного коэффициента трансформации. Это обстоятельство вынуждает устанавливать дополнительный комплект трансформаторов тока или переносить счетчики в другую точку сети. Так, для линии, отходящей от шин подстанции и принадлежащей потребителю, счетчики допускается устанавливать не на питающем, а на приемном конце (вводе) у потребителя. На силовых трансформаторах допускается установка счетчиков со стороны низшего напряжения.
Действительный коэффициент трансформации трансформатора тока несколько отличается от номинального, а сектор вторичного тока образует с вектором первичного тока некоторый угол. Другими словами, трансформатор тока обладает погрешностью по току и по углу. Наибольшая допускаемая погрешность определяет класс точности трансформатора тока. Согласно ПУЭ класс точности трансформаторов тока для присоединения расчетных счетчиков трансформаторов тока должен быть не ниже 0,5. Для присоединения счетчиков технического учета допускается использование трансформаторов тока класса 1,6 и менее точных встроенных трансформаторов тока.
Погрешность трансформатора тока зависит от его нагрузки.
Наибольшая нагрузка, при которой погрешность не выходит за пределы класса точности, указывается в паспортной табличке. Например, для трансформаторов тока типа ТПЛ нагрузка обмотки класса 0,5 не должна превышать 0,4 Ом. Нагрузка трансформатора тока определяется полным сопротивлением его внешней вторичной цёпи. Сюда входят сопротивления всех последовательно включенных приборов, а также соединительных проводов и переходных контактов. В практических расчетах допускается арифметическое сложение полных сопротивлений, что создает расчетный запас (см. приложения 2, 3).
Как правило, цепи измерения и учета выполняются отдельно от цепей релейной защиты. Лишь, в случаях, когда такое разделение требует установки дополнительных трансформаторов тока, допускается их совместное присоединение. При этом не должны изменяться класс точности трансформаторов тока и необходимые характеристики релейной защиты.
Отсюда, в частности, следует, что ряд реле и устройств с большим сопротивлением не может быть включен в цепи учета. Таковы индукционные реле тока и мощности, реле прямого действия, быстронасыщающиеся трансформаторы и содержащие их устройства и др.
Сопротивления обмоток измерительных приборов и реле приводятся в заводских каталогах и в справочной литературе. Недостающие данные могут быть получены путем измерения. Если указана потребляемая мощность прибора РП, то сопротивление ZП находится по формуле

где IП - номинальный ток прибора или минимальная, уставка реле по току.
Сопротивление соединительных проводов определяется по формуле

где l - длина провода между трансформатором тока и счетчиком, м;
- удельная проводимость; для меди. = 53 м/(Ом-мм²), для алюминия =32 м/(0м-мм²); S - сечение провода, мм²,
В токовых цепях сечение медных проводов должно быть не менее 2,5 мм², алюминиевых - не менее 4 мм².
Переходное сопротивление RK принимают равным 0,1 Ом.
Для схемы соединения трансформаторов тока «неполная звезда» расчетная нагрузка ZН,расч определяется по приближенной формуле
(12)

где ZП,Ф - сопротивление реле и приборов, включенных в фазный провод;
ZП0 - сопротивление реле и приборов, включенных в нулевой провод.
Для схемы соединения «полная звезда»

ПР + ZП,Ф + RК , (13)

Пример 2. Во вторичные обмотки трансформаторов тока ТПЛ-10, соединение в неполную звезду, включены счетчик активной энергии ( АЗУ-И670, счетчик реактивной энергии СР4У-И673 и амперметр Э-30. Счетчики расположены в шкафу учета. Длина контрольного кабеля 15 м. Жилы медные сечением 2,5 мм². Определить вторичную нагрузку трансформаторов тока.
Сопротивление соединительных проводов по (11)

Таблица 1Сопротивления приборов

Суммарная расчетная нагрузка по (12)

при допустимом ZН = 0,4 Ом.
Параллельные обмотки счетчиков в сети напряжением выше 1000 В питаются от трансформаторов напряжения. Для этой цели применяются как трехфазные, так и группы однофазных трансформаторов напряжения. Вторичное междуфазное напряжение у них равно 100 В; Таким же должно быть и номинальное напряжение подключаемых к ним счетчиков.
Принятые обозначения выводов трехфазного трансформатора напряжения для стороны высокого напряжения - А, В, С, 0. Для стороны низкого напряжения, соответственно а, Ь, с, 0. Трансформатор имеет нулевую группу соединения, т. е. одноименные векторы .первичных и вторичных напряжений совпадают (если пренебречь погрешностью).

На рис. 11 два однофазных трансформатора напряжения соединены по так называемой схеме открытого треугольника (не следует путать с разомкнутым треугольником!). Эта схема обеспечивает симметричные трехфазные напряжения Uab, Ubc, Uca, поэтому она предназначена для питания приборов и реле, включенных на междуфазное напряжение.

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения подлежат заземлению. У. трехфазных трансформаторов напряжения заземляются либо нулевая точка, либо вывод фазы b. В открытом треугольнике заземляется общая точка вторичных обмоток трансформаторов, которая должна соответствовать вторичным выводам, соединенным между собой и подключенным к «средней» фазе.
Трансформаторы напряжения обладают погрешностью по напряжению и по углу, обусловленной падением напряжения в обмотках от токов нагрузки. Погрешность по напряжению проявляется в некотором уменьшении вторичного напряжения при нагрузке. Угловая погрешность характеризуется некоторым углом между векторами первичного и вторичного напряжения.
Значения, погрешностей зависят, от мощности нагрузки трансформатора напряжения. Чем она больше, тем больше токи в обмотках. Пропорционально этим токам увеличиваются падения напряжения в обмотках (см. приложения 1, 2, 4).
Предельно допустимое значение падения напряжения трансформатора определяет его класс точности. Для каждого класса точности устанавливается номинальная мощность Sном. Обычно для трансформатора напряжения устанавливается два или три класса точности и две или три соответствующие им номинальные мощности. Таким образом, трансформатор напряжения в зависимости от нагрузки может работать в различных классах точности.
Согласно ПУЭ [2] класс точности трансформаторов напряжения для питания расчетных счетчиков должен быть не ниже 0.5. Допускается использование, трансформаторов напряжения класса точности 1,0 для включения счетчиков класса точности 2,0 и менее точных.
Для счетчиков технического учета допускается класс точности трансформатора напряжения ниже 1,0.
Для того чтобы выяснить, работает ли трансформатор напряжения в требуемом классе точности, необходимо выполнить расчет .его нагрузки. Порядок расчета следующий.
По данным исполнительной схемы составляется перечень измерительной и релейной аппаратуры, подключенной к цепям напряжения. Должно быть отмечено, к каким фазам подключен каждый аппарат. В перечень включается только аппаратура, находящаяся под напряжением постоянно. Заносятся данные о потребляемой мощности SП каждого аппарата, выраженной в вольт-амперах. В справочной литературе потребляемая мощность обычно дается при UНОМ = 100 В, но может быть дана и при других значениях напряжения. Для аппаратуры, включенной на линейное напряжение, мощность приводится к напряжению 100 В, а для аппаратуры, включенной на фазное напряжение - к фазному напряжению 100/ В. Пересчет осуществляется по формуле

(14)

где SП - потребление при расчетном напряжении U П;
SП' - потребление, заданное при напряжении U' П.
Если известно сопротивление ZП прибора, то потребляемая мощность определяется по выражению
(15)
Для счётчиков в справочной литературе обычно дается потребление активной мощности РСЧ в ваттах. Принимая cos = 0,38, можно определить потребление полной мощности SСЧ по выражению

(16)
Если данные о потребляемой мощности отсутствуют, могут быть получены путем измерений.
Путем арифметического суммирования одноименных междуфазных нагрузок определяются нагрузки Sab, Sbc, Sca.
При соединении трансформаторов напряжений в открытый треугольник мощность нагрузки Sтн каждого из них определяется по формуле
(17)
где Smax мф и Smin мф - наибольшая и наименьшая мощности междуфазной нагрузки. Определенная таким образом мощность нагрузки не должна превышать номинальной для требуемого класса точности.
Для трехфазного трансформатора напряжения определяется мощность нагрузки Sтн каждой из фаз по формуле
(18)
а в случае наличия нагрузки Sф, включенной на фазное напряжение,
(19)
Из трех вычисленных таким образом нагрузок берется наибольшая Sтн max, и проверяется неравенство
(20)
Расчет по приведенной методике является приближенным ввиду допущенных упрощений - мощности отдельных нагрузок суммируются арифметически, неравномерность нагрузки учитывается приближенно. Эти упрощения создают некоторый расчетный запас.
Дополнительная погрешность измерения электроэнергии возникает вследствие падения напряжения в, проводах, соединяющих трансформатор напряжения, со счетчиком. Падение напряжения представляет собой геометрическую разность между вектором линейного напряжения U2 на зажимах трансформатора напряжения и вектором U’2 на зажимах счетчика (рис. 12). В ПУЭ, однако, нормируется не падение, а потеря напряжения, т. е. арифметическая разность U2 и U’2 () Как видно из рис. 12, при индуктивном характере нагрузки . Разница между падением напряжения и ее потерей растет с увеличением угла между напряжением и током нагрузки трансформатора напряжения. Поэтому определенное расчетным или опытным путем падение напряжения необходимо сопоставить с нормируемым значением потери напряжения.

Рис. 12. Векторная диаграмма вторичных цепей трансформатора напряжения

Согласно ПУЭ [2] сечение и длина проводов и кабелей в цепях напряжения расчетных счетчиков, выбираются таким образом чтобы потери напряжения в этих цепях составляли не более 0,25% номинального напряжения при питании от трансформатора напряжения класса точности 0,5 и не более 0,5% при питании от трансформатора напряжения класса точности 1,0. Потеря напряжения .до счетчиков технического учета должна составлять не более 1,5%. При номинальном напряжении 100 В потеря напряжения в вольтах численно совпадает с потерей напряжения в процентах. Падение напряжения в проводах может быть определено путем следующего расчета.
Определяется сопротивление одной жилы контрольного кабеля или соединительного провода по формуле (11). В цепях напряжения сечение s медных жил должно быть не менее 1,5 мм², алюминиевых - не менее 2,5 мм².
Определяется мощность нагрузки SТН наиболее загруженной фазы трансформатора напряжения по формулам (14)-(16).
Определяется ток нагрузки IТН этой фазы:
(21)
Определяется падение линейного напряжения для трехфазного трансформатора напряжения [3]:
(22)
для двух трансформаторов напряжения, соединенных в открытый треугольник при нагрузке, близкой к чисто индуктивной [6],
(23)
Пример3. В цепь трансформатора напряжения НТМИ-10 (класс точности 0,5 при 120 В*А) включены три счетчика активной энергии САЗУ-И670, три счетчика реактивной энергии СР4У-И673, киловольтметр Э-378 и реле времени ЭВ-245. Киловольтметр и реле включены на напряжение UАС.
Приборы соединены с трансформатором напряжения контрольным кабелем длиной 35 м. Жилы алюминиевые сечением 2,5 мм². Определить нагрузку на трансформатор напряжения и падение напряжения в кабеле.

Таблица 2 Составляется сводная таблица нагрузок

Наиболее загружена фаза с. Мощность ее нагрузки по (18)

Расчетная нагрузка трансформатора напряжения

т.е. не превышает допустимую.
Сопротивление провода по (11).

Ток нагрузки в фазе С.

Падение напряжения в соединительных проводах (22)

что недопустимо.
Поэтому необходимо увеличить сечение провода. Этого можно добиться, сдваивая для каждой фазы жилы в соединительном кабеле. Тогда s = 5 мм².

или 0,25%, что равно допустимой потере напряжения.
Вторичные цепи трансформатора напряжения защищаются автоматическими выключателями или предохранителями. Они должны быть снабжены устройством сигнализации, срабатывающей при всех видах нарушения исправности. цепей напряжения.