Г.А.Л._Изб. раб. по АСКУЭ

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

151

К ВОПРОСУ О НИЖНЕЙ ГРАНИЦЕ ВТОРИЧНОЙ НАГРУЗКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА

Гуртовцев А.Л., к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ»

В работе [1] показано, что в процессе автоматизации электроучета замена индукционных счетчиков электронными улучшает режим работы измерительных трансформаторов тока и повышает общую точность учета. Однако, до сих пор бытует и противоположное мнение, обосновываемое, в частности, ссылкой на соответствующие ГОСТы [2,3], что побуждает автора вновь вернуться к рассматриваемому вопросу.

Немного о терминологии

Согласно ГОСТ [2], одним из основных параметров трансформатора тока (ТТ) является номинальная вторичная нагрузка S2ном с единицей измерения ВА. Допускается обозначение вторичной нагрузки как Z2ном, измеряемой в Ом и определяемой по формуле

Z2ном=S2ном/I22ном (отметим, что в предыдущем ГОСТ [3] указанные обозначения вводились в

обратном порядке). Очевидно, что если, например, S2ном=5 ВА и I2ном=5 А, то Z2ном=0,2 Ом.

Реальная вторичная нагрузка S2 (или Z2) измерительного ТТ зависит от потребляемой мощности Sип (или импеданса Zип) токовых цепей измерительных приборов, подключаемых соединительными проводами последовательно к выводам вторичной обмотки

трансформатора	(с учетом активной мощности Рпр	или	суммарного активного
сопротивления	соединительных проводов Zпр, т.е.	S2=Sип+Рпр или Z2=Zип+Zпр) и

определяется соответственно как процент от номинальной вторичной нагрузки, например, S2=50% S2ном или Z2=50%Z2ном. Реальная вторичная нагрузка может быть, вообще говоря, меньше, равна или большее номинальной. В зависимости от этого меняется режим работы ТТ и его метрологические характеристики (реальные токовые и угловые погрешности)

Важно отметить, что уменьшение реальной вторичной нагрузки ТТ при заданной его номинальной нагрузке и номинальном вторичном токе связано в первую очередь с уменьшением потребляемой мощности подключаемых измерительных приборов за счет не увеличения, а ,наоборот, уменьшения импеданса их токовых цепей (это автоматически следует из формулы Z2 I22=S2, в которой ток I2 в заданном диапазоне измерений не зависит от Z2, т.е. вторичная обмотка ТТ действует подобно генератору тока). Такое понимание отличается от общего понимания нагрузки питающей сети, уменьшение которой также связано с уменьшением потребляемой мощности подключенной электроустановки, но уже не за счет снижения, а, наоборот, увеличения ее входного импеданса и уменьшения тем самым величины потребляемого тока (в этом случае питающая сеть выступает не как генератор тока, а как генератор напряжения).

Отмеченный нюанс в понимании вторичной нагрузки ТТ является психологической подоплекой, объясняющей, почему замену индукционных счетчиков, обладающих более

высокой потребляемой мощностью токовых цепей, на электронные, ряд энергетиков связывают с ухудшением режима работы ТТ: им интуитивно кажется, что такая замена ведет к повышению импеданса токовых цепей электронных счетчиков, хотя в действительности дело обстоит как раз наоборот.

Мнения бываю разные…

Пример бытующего мнения о замене индукционных счетчиков электронными и их влиянии на режимы работы ТТ приведен в [4], где, в частности, говорится: «в настоящее

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

152

время во многих энергосистемах стали заменять индукционные счетчики на более точные электронные, однако при этом не учитывается, что мощность электронных счетчиков значительно меньше, чем индукционных. Если при таких заменах не учитывать номинальные вторичные нагрузки измерительных трансформаторов тока, то в подобных случаях применение более точных счетчиков может не только не повысить точность измерений, а, наоборот, может привести к ухудшению качества измерений, а,

следовательно, к увеличению потерь… ». На мой запрос по электронной почте о том, чем обосновывает кампания такое мнение, ответа я, к сожалению, не получил. Исходя из ее маркетинговой политики, которая призвана продвигать на рынке фирменные трансформаторы с различными отводами во вторичной цепи, их довод становится понятен.

Уже после выхода работы [1], мне довелось обсуждать вопросы использования ТТ при замене индукционных счетчиков электронными с одним их заслуженных энергетиков России, который обратил мое внимание на те ограничения нижней границы вторичной нагрузки ТТ, которые приведены в ГОСТ [2,3]. Его вопрос и побудил меня вернуться к рассмотренной, как мне казалось, уже закрытой в [1] теме. Так что же утверждает ГОСТ на самом деле?

ГОСТ и его толкование

В ГОСТ [3] в разделе 3.4 (метрологические характеристики) в табл. 3 указаны пределы допустимых погрешностей вторичных обмоток ТТ при измерении в рабочих условиях для трансформаторов различного класса точности: от 0,1 до 10, причем для классов точности 0,1 – 1 указаны пределы вторичной нагрузки (25-100)%, а для классов 3-10 – пределы (50-100)% от номинальной. Далее, в пункте 3.4.2 регламентируется, что «для трансформаторов с номинальной вторичной нагрузкой более 60 ВА нижний предел вторичной нагрузки должен быть 15 ВА, с номинальными вторичными нагрузками 1; 2; 2,5; 3; 5 и 10 ВА нижний предел вторичных нагрузок – 0,8; 1,25; 1,5; 1,75; 3,75 и 3,75 ВА соответственно». Какие-либо другие упоминания о нижних пределах вторичной нагрузки в

документе отсутствуют.
В ГОСТ [2], который	сменил вышеуказанный, в разделе метрологических

характеристик (раздел 6.4) в табл. 8 приводятся аналогичные требования, а в пункте 6.4.2

потверждается, что «для трансформаторов с номинальными вторичными нагрузками 1; 2; 2,5; 3; 5 и 10 ВА нижний предел вторичных нагрузок – 0,8; 1,25; 1,5; 1,75; 3,75 и 3,75 ВА соответственно». Вот и все требования.

Некоторые энергетики понимают указанные ограничения как требования к эксплуатации измерительных ТТ, нижний предел вторичной нагрузки которых не может быть менее 25% (для ТТ классов точности 0,1-1) или 50% (для ТТ классов точности 3-10)

номинальной. Иначе говоря, следуя их логике, если при замене индукционного счетчика электронным, реальная вторичная нагрузка станет менее 25% номинальной (на самом деле нагрузка уменьшится не на десятки процентов, а в несколько раз), то надо менять ТТ на трансформатор с более высокой номинальной вторичной нагрузкой, иначе, якобы, будет ухудшаться точность учета.

Между тем, из вышеприведенных документов следует, что речь идет только об условиях поверки ТТ, а не об эксплуатационных требованиях. Поверять ТТ при вторичной

нагрузке менее, чем 25% номинала, просто нет смысла, так как такой режим поверки приближает ТТ к идеальным условиям его работы – режиму короткого замыкания.

Поэтому ГОСТ и суживает условия поверки диапазоном (25-100)% от номинального. Более критичным, с точки зрения погрешностей, является как раз другой диапазон - более 100% от номинальной вторичной нагрузки. Реальные трансформаторы чаще всего работают именно в таком режиме из-за различных технологических нарушений, и здесь кроются многие корни дополнительных погрешностей учета.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

153

Вработе [1] приведены таблицы и графики токовых и угловых погрешностей разных

ТТпри различных вторичных нагрузках, включая и близкие к нулевым. Все они демонстрируют, что при нулевых вторичных нагрузках не происходит заметного

дополнительного увеличения погрешностей, и все погрешности остаются в допустимых пределах класса точности. В указанной работе не приведены сведения о том,

как ведут себя ТТ при вторичной нагрузке выше номинальной. Между тем, выполненные рабочие измерения при вторичных нагрузках выше 120% показали, что погрешности всех трансформаторов резко (но в разной мере) возрастают, что и следовало ожидать.

А что говорят первоисточники?

Полезно обратиться к некоторым, забытым сегодня первоисточникам, и выяснить их отношение к рассматриваемому вопросу. В работе [5] отмечается: «точность работы трансформатора тока зависит не только от его устройства, но и от величины сопротивления, включенного во вторичную цепь. Наибольшее сопротивление (в омах), которое можно включить во вторичную цепь трансформатора, не понижая точности его работы, называется номинальной нагрузкой и должно указываться на его щитке. Иногда вместо номинальной нагрузки на трансформаторах тока указывается номинальная мощность в вольт-амперах…для обеспечения правильности работы трансформаторов тока сопротивление всех проводов и обмоток приборов во вторичной цепи не должно превосходить номинальной нагрузки». В работе [6] подчеркивается: «…вторичная обмотка трансформатора тока оказывается замкнутой на малое сопротивление, а вторичная обмотка трансформатора напряжения, наоборот, - на большое сопротивление. Поэтому нормальным режимом работы первого является режим короткого замыкания, а нормальным режимом второго – режим холостого хода…вторичную цепь трансформатора тока в процессе работы ни под каким видом нельзя размыкать…погрешности трансформатора тока тем меньше, чем меньше сопротивление вторичной цепи, поэтому надо стремиться к возможно меньшему сопротивлению нагрузки трансформатора». В работе [7] отмечается, что «погрешности трансформатора тока увеличиваются с ростом сопротивления вторичной внешней цепи его…Номинальной нагрузкой трансформатора тока называется наибольшее сопротивление, на которое можно замыкать его вторичную обмотку, не увеличивая погрешностей выше допустимых для соответствующего класса точности». В работе [8] показано, что «с увеличением вторичной нагрузки Z2н токовая и угловая погрешности возрастают, т.е. точность ТТ понижается». Наверное, мнения классиков достаточно.

Выводы

1.Замена индукционных счетчиков электронными снижает мощность и импеданс реальной вторичной нагрузки установленных измерительных трансформаторов тока и улучшает их режим функционирования, способствуя повышению точности учета.

2.Снижение мощности, потребляемой токовыми цепями электронных счетчиков по сравнению с индукционными счетчиками, позволяет применять измерительные трансформаторы тока с меньшими номинальными вторичными нагрузками и экономить тем самым суммарный расход электроэнергии на учет.

3.ГОСТ на измерительные трансформаторы тока, равно как и другие источники, не выдвигают требований по лимитированию нижней границы реальной вторичной нагрузки измерительных ТТ в процессе их эксплуатации.

4.Для повышения точности учета необходимо ограничить максимальную реальную вторичную нагрузку измерительных ТТ на уровне не выше 100% от номинальной, включая активную мощность, теряемую в соединительных проводах.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

154

Литература

1.Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И. Трансформаторы тока в распределительных сетях// Энергетика и ТЭК, №6, 2004.

2.ГОСТ 7746-2001 (МЭК 44-1:1996, Ч.1). Трансформаторы тока. Общие технические условия (взамен ГОСТ 7746-89).

3.ГОСТ 7746-89 (МЭК 44-4:1980, МЭК 185:1987). Трансформаторы тока. Общие технические условия.

4.Сайт KWK-ELECTRO. О компании. KWK Messwandler GmbH, Германия. – 2004. – Интернет.

5.Вострокнутов Н.Г. Электрические счетчики и их эксплоатация. Пятое издание. – М.-Л.: Государственное книжное издательство, 1950.

6.Арутюнов В.О. Электрические измерительные приборы и измерения. – М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1958.

7.Попов В.С. Электротехнические измерения. – М., Энергия, 1968.

8.Трансформаторы тока/В.В.Афанасьев, Н.М.Адоньев, Л.В.Жалалис и др. – Л.,Энергия, 1980.

Справка

Статья опубликована в журналах:

Электрические сети и системы, №1, 2005 (Украина) Промышленная энергетика, №9, 2005 (Россия)

Энергетик, №10, 2005 (Россия) Электрика, №1, 2006 (Россия) Электро, №3, 2006 (Россия)

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

155

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА ПРОБЛЕМА НИЖНЕЙ ГРАНИЦЫ ВТОРИЧНОЙ НАГРУЗКИ

Метрологические характеристики электромагнитных измерительных трансформаторов тока – токовая и угловая погрешности – определяются, согласно ГОСТ [1], только для диапазона 25-100% их номинальной вторичной нагрузки.

Причина ограничения вторичной нагрузки ТТ сверху известна и широко освещена в литературе.

Но почему эта нагрузка ограничивается стандартом снизу? Такой вопрос подчас ставит в тупик не только энергетиков, применяющих ТТ, но и их разработчиков. Ответ на него дает Аркадий Лазаревич Гуртовцев.

Аркадий Гуртовцев, к.т.н., ведущий научный сотрудник РУП «БелТЭИ»

При эксплуатации электромагнитных измерительных трансформаторов тока (ТТ) в системах коммерческого учета электроэнергии энергетики и метрологи постоянно сталкивались и сталкиваются с проблемами перегрузки вторичных цепей ТТ из-за применения длинных соединительных линий и потерь в них части вторичной мощности, передаваемой от ТТ к токовым цепям электросчетчиков, а также подключения к ним, помимо основного электросчетчика, дополнительных измерительных приборов (ИП)

– амперметров, ваттметров, фазометров и устройств релейной защиты и автоматики. Согласно, например [2], только из-за перегрузки вторичных цепей ТТ недоучет электроэнергии ее поставщиком может достигать 5–10% и более. Для снижения перегрузки вторичных цепей с давних пор применяли ТТ с повышенной номинальной вторичной мощностью S2ном = = I22номZ2ном (В·А) или нагрузкой Z2ном (Ом). Еще в стандарте 1940 г. [3] устанавливалось, что допустимые погрешности ТТ определяются при вторичной нагрузке Z2н = (25–100)% Z2ном при cos 2н = 0,8, причем

Z2ном должно быть для ТТ с номинальным вторичным током I2ном = 5 А не ниже 0,15 Ом (соответственно S2ном 3,75 В·А). Потребляемая мощность токовой (последовательной) цепи индукционных счетчиков, согласно [4], для счетчиков активной энергии классов 0,5; 1,0 и 2,0 может достигать соответственно 4,0; 1,2 и 0,6 В·А, а для счетчиков реактивной энергии классов 1,5 и 2,0 – 2,3 и 1,0 В·А. Согласно [5], для других ИП потребляемая мощность может составлять: для амперметров 1,5–15, для ваттметров – 1,25–6,25 и для фазометров – 5–22,5 В·А. Поскольку во вторичную цепь ТТ обычно подключали несколько ИП, то S2ном для большинства ТТ выбиралась на уровне 10–15 В·А и выше. В условиях борьбы с перегрузкой вторичных цепей ТТ проблема нижней границы не проявлялась и ждала своего часа. Такой час наступил, когда в середине 90-х годов прошлого столетия на смену индукционным счетчикам пришли электронные, которые объединили в себе функции нескольких монофункциональных ИП:

счетчиков активной и реактивной электроэнергии одного или двух направлений учета, амперметра, вольтметра, ваттметра, варметра,

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

156

фазометра и ряда других приборов. Там, где раньше во вторичные цепи ТТ требовалось последовательно включать для решения задач коммерческого и технического учета электроэнергии несколько ИП, оказалось достаточным установить один электронный счетчик. Более того, потребление электроэнергии его последовательными цепями оказалось существенно ниже, чем у индукционного. Согласно [6, 7], для электронных счетчиков классов точности 0,2S и 0,5S полная потребляемая мощность каждой цепью тока при номинальном токе не должна превышать 1 В·А, а для счетчиков классов точности 1 и 2 – соответственно 4 и 2,5 В·А. Реальная же мощность, потребляемая цепями тока 3-фазных электронных счетчиков, как показали испытания, оказалась существенно ниже пределов стандартов: 0,01–0,2 В·А [8].

С появлением электронных счетчиков отпала во многих случаях необходимость перегружать вторичные цепи ТТ, но при этом из тени верхней границы выплыла дотоле спавшая проблема нижней границы вторичной нагрузки ТТ. Ведь если для ТТ S2ном = 10–15 В·А (или 5 В·А), то ее допустимая 25-процентная нижняя граница S2мин равна 2,5–3,75 В·А (или 1,25 В·А). Как же следует отнестись энергетикам и метрологам к тому, что в действительности токовые цепи электронных счетчиков, подключаемые ко вторичным обмоткам ТТ, стали потреблять мощность в десятки, сотни раз меньше, чем это позволяет стандарт на ТТ, лимитируя нижнюю границу вторичной нагрузки?

ОБСУЖДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Видимо, вопрос о несоответствии нижней границы вторичной нагрузки ТТ новым реалиям в учете электроэнергии был впервые озвучен в работе [9]. Автор констатировал, что «для измерительных трансформаторов нагрузка по ГОСТ должна составлять от 25 до 100% номинальной.

Только тогда они работают в своем классе точности (выделено автором. – Ред.). Если нагрузка вторичной цепи выходит за пределы этого интервала, то необходима соответствующая корректировка <…> Если вторичная нагрузка меньше, <…> есть два способа решения этой проблемы: замена измерительных трансформаторов на трансформаторы с меньшим значением номинальной вторичной нагрузки или подключение в измерительную цепь дополнительной нагрузки. В Европе пошли по последнему пути, поскольку он значительно дешевле и эффективнее…». Вне рассмотрения автора оказался главный вопрос: действительно ли при выходе нагрузки за пределы нижней границы S2минизменяется класс точности ТТ и требуется коррекция нагрузки? В общем случае можно допустить (однако это требует проверки), что при выходе вторичной нагрузки за ее лимитируемую нижнюю границу погрешности ТТ не изменяются, увеличиваются или, наоборот, уменьшаются. Зачем же сразу, не выяснив существа дела, заниматься коррекцией, расходуя на это материальные и финансовые ресурсы?

Если следовать линии замены ТТ с уменьшением его номинальной вторичной нагрузки, то где гарантия того, что при очередном уменьшении внешней нагрузки не потребуется вновь заменять ТТ? Ведь уже сегодня появились, как показали последние испытания в отраслевом центре белорусской энергосистемы, электронные счетчики с потреблением по цепи

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

157

тока в 0,001 В·А (между тем минимальная номинальная нагрузка, нормируемая ГОСТом, – 1 В·А для нагрузки с cos = 1). Если же идти по пути искусственного увеличения вторичной нагрузки ТТ за счет использования дополнительных сопротивлений, то как при этом можно решить стратегическую задачу снижения доли электропотребления, расходуемой на реализацию самого учета электроэнергии?

В работе [10], оппонирующей вышерассмотренной, сделана попытка однозначно решить вопрос с позиций ссылок на работы потеории ТТ, утверждающих, что режим работы ТТ – это режим, близкий к КЗ, а раз так, то и уменьшение вторичной нагрузки до нуля должно только снизить погрешности ТТ. Следовательно, на лимитируемую стандартом нижнюю границу вторичной нагрузки можно вообще не обращать внимания, рассматривая ее как анахронизм, перекочевавший из стандартов 70-летней давности в современные стандарты. К сожалению, в данном вопросе делать решающий вывод только на основании одних умозрительных заключений нельзя. Необходимы экспериментальные исследования, подтверждающие или опровергающие те или иные умозрительные положения.

Среди работ, обсуждавших границы вторичной нагрузки ТТ, можно отметить [11], в которой автор справедливо замечает, что «в последнее время в энергосистемах и у крупных потребителей массово внедряют статические счетчики электроэнергии с практически активным сопротивлением. Нагрузка токовых цепей электронных счетчиков составляет порядка 0,1–0,3 В·А при cos = 1. Поэтому каких-либо значительных отклонений от требований ГОСТ практически не должно быть…». В данном случае автор, подчеркнув тенденцию, не заметил существования самой проблемы. Разработчики ТТ также пока не озаботились выявленной проблемой и попрежнему, как и много лет назад, концентрируют свои усилия на решении вопросов перегрузки ТТ. Например, в работе [12] констатируется: «ГОСТ 7746-2001 нормирует погрешности трансформаторов тока при мощности вторичной нагрузки 25–100% номинальной. В эксплуатации нередко мощность нагрузки не соответствует диапазону ГОСТ 7746-2001. Обычно мощность вторичной нагрузки завышена из-за подключения в цепь учета приборов релейной защиты и автоматики». А между тем ситуация со вторичной нагрузкой ТТ начинает на практике кардинально меняться. Необходимо рассмотреть результаты экспериментальных исследований и дать их объяснение в рамках существующей теории трансформаторов.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для анализа экспериментов воспользуемся графиками токовых и угловых погрешностей ТТ, представленных в работах [12–14] и на рис. 1,2. Токовая погрешность ТТ определяется в виде относительной погрешности согласно формуле [15, 16]:

где I1 – действительный (истинный) первичный ток, значение которого зависит только от нагрузки первичной цепи (величина вторичного тока ТТ

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

158

на него не влияет);

I*1 – приближенное значение I1, найденное по измеренному значению I2 и номинальному коэффициенту kном: I*1 = kномI2;

k = I1 / I2 – действительный (истинный), а kном = I1ном / I2ном номинальный коэффициенты трансформации по току (I1ном и I2ном – номинальные первичный и вторичный токи).

Точные значения I1 и k неизвестны, а коэффициент kном определяется только для одной конкретной точки диапазона изменения I1 – при I1ном (даже в этой точке k kном). Поэтому приближенно, с

погрешностью принимается, что I1 I*1 или k kном (в том случае, если I*1 < I1, то < 0, т.е. отрицательна). Угловая погрешность ТТ образуется из-за сдвига фазы вторичного тока относительно фазы первичного тока в процессе передачи электромагнитной энергии из первичной обмотки ТТ во вторичную и ее использования во вторичной нагрузке. В общем случае оба типа погрешностей могут иметь как положительные, так и отрицательные значения.

На рис. 1 и 2 приведены графики, построенные на основании данных измерений, проведенных в 2001–2003 гг. Днепропетровским центром стандартизации, метрологии и сертификации. Важно, что все эти измерения проводились для ТТ-0,66 кВ классов точности 0,5 и 0,5S различных номиналов (I1 / I2: от 50/5 до 600/5 А) и конструкций (с сердечниками из электротехнической стали (ЭС) и из нанокристаллического сплава (НС)) при трех режимах вторичной нагрузки: S2ном, S2мин = 25% S2ном с cos 2н = 0,8 и S2н = 0. Результаты представлены для 8 образцов ТТ украинского и российского производства.

Первый важный вывод, который можно сделать из анализа графиков, это тот, что только в одном образце, т.е. в 12% случаев, при изменении вторичной нагрузки ТТ от номинальной до нуля произошел выход токовой погрешности за пределы класса (угловая погрешность не вышла за установленные пределы ни у одного ТТ). Отметим, что это произошло только у образца, для которого этот выход из класса зафиксирован и при 25% S2ном, т.е. фактически для бракованного в метрологическом отношении ТТ. Следовательно, вывод работы [9] о том, что ТТ работают в классе только при 25–100% S2ном, не соответствует действительности. Оказывается, имеется высокая вероятность того, что ТТ будут работать в классе и при S2н << S2ном. Следующий важный вывод – изменение абсолютной величины вторичной нагрузки ТТ с номинальной до нуля приводит для всех образцов к смещению графика токовой погрешности вверх, в сторону более положительной погрешности, а графика угловой погрешности, наоборот, вниз, в сторону более отрицательной погрешности (относительно исходных погрешностей и при S2ном).

Расчеты показывают, что такое положительное смещение по токовой погрешности достигает для ТТ с сердечниками из НС в области малых первичных токов (I1 = 1–5% I1ном) 100–150% от погрешности при S2ном, а при больших первичных токах (I1 = 20–120% I1ном) – 70–90% (рис. 1). Иными словами, для таких ТТ смещение графика происходит одновременно с его выравниванием при малых и больших значениях первичных токов: график из криволинейного наклонного становится прямолинейным и

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

159

горизонтальным. Для токовых погрешностей отрицательное смещение при малых первичных токах составляет 50–60% от погрешности. при S2ном, а при больших первичных токах может как увеличиваться до 80–90%, так и снижаться до 20–40% (в зависимости от образца).

Для ТТ с сердечниками из ЭС смещение вверх токовой погрешности в области малых первичных токов происходит на 150–4000% (существенный разброс значений вызван разбросом характеристик ЭС в области малых токов), а в области больших первичных токов – на 100–500% (рис. 2), т.е. в целом смещение происходит на большую величину, чем в ТТ с сердечниками из НС, а график выравнивается в меньшей степени (сохраняется криволинейность в области малых первичных токов). Смещение вниз угловой погрешности происходит в среднем по всему диапазону первичных токов на величину 30–40% (в области максимальных первичных токов это отрицательное смещение может как увеличиваться, так и уменьшаться, трансформируясь в положительное). Отличия графиков токовых погрешностей ТТ с сердечниками из НС и ЭС очевидны прежде всего в области малых первичных токов, где для последних существенно проявляется влияние низкого значения начальной магнитной проницаемости ЭС: начальный участок кривой резко уходит вниз в область запредельных погрешностей. Аналогичные выводы можно сделать из таблиц и графиков токовых и угловых погрешностей, представленных в работе [13] для ТТ-0,66 кВ пяти образцов от белорусских, российских, украинских и литовских производителей. В [12] представлены четыре графика токовых и угловых погрешностей ТТ типа ТОЛ-10 и ТПОЛ-10, снятые при S2н = 500- 300-200-100% S2ном и 25% S2ном. В этой работе не исследуется поведение ТТ при S2н = 0, но тенденция движения вверх графиков токовых погрешностей и вниз графиков угловых погрешностей по мере снижения абсолютной величины S2н очевидна (судить по графикам о том, выйдет или нет при

S2н = 0 токовая погрешность за допустимые пределы, не представляется возможным). В работе [14] представлены графики погрешностей двух ТТ типа ТОЛ-10 и ТЛМ-10, снятые при одной и той же абсолютной величине вторичной нагрузки (Z2ном = 0,4 Ом), но при различном ее характере:

активном (cos 2 = 1) и активно-индуктивном (cos 2 = 0,8). Графики токовой и угловой погрешностей при активной нагрузке (уменьшении индуктивной составляющей до нуля) смещаются вверх с одновременным возрастанием погрешностей. Объяснение этой и других «поведенческих» функций ТТ приводятся ниже. Из вышеизложенного следует, что проблема снижения абсолютной величины вторичной нагрузки ТТ значима только для токовых погрешностей (угловые погрешности остаются в классе). Рассмотрим возможные распределения этих погрешностей для различных ТТ.

Многие ТТ имеют во всем диапазоне изменения своего первичного тока I1 = 1–120% I1н отрицательные токовые погрешности – , которые сохраняют свой знак при всех изменениях вторичной нагрузки.

О них говорят, что они носят систематический характер. Например, из восьми графиков погрешностей ТТ, приведенных на рис. 1, 2, два графика (для ТТ с сердечниками из НС) имеют отрицательную погрешность как при S2ном, так и при S2 = 0 (рис. 1). Для таких ТТ, следуя [10], можно сказать,

что уменьшение вторичной нагрузки приводит к уменьшению токовой погрешности ТТ: в результате положительного смещения графика токовая

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

160

погрешность – при S2н= 0 становится менее отрицательной и ближе к нулю. С высокой вероятностью для ТТ с сердечниками из НС можно утверждать, что если при S2ном токовая погрешность ТТ во всем диапазоне первичного тока отрицательна, то уменьшение вторичной нагрузки до нуля не приведет к выходу ТТ из его класса точности. Для ТТ с сердечниками из ЭС такое утверждение становится спорным (см. рис. 2).

Все остальные представленные графики имеют при S2ном комбинированную погрешность со знаком минус в области малых первичных токов и знаком плюс в области больших токов, причем переход погрешности через нуль может происходить в зависимости от образца ТТ как при малых, так и при больших первичных токах. За счет такой конструктивной сбалансированности погрешностей с них можно снять ярлык «систематические» и перевести их в класс «псевдослучайные» со всеми вытекающими из этого последствиями для метрологии.

Утверждать что-либо определенное о том, как поведут себя такие ТТ при уменьшении их вторичной нагрузки до нуля, без их предварительного экспериментального исследования, нельзя: они могут как остаться в классе, так и выйти из него.

Рассмотрим причины (электромагнитный механизм) выявленных изменений погрешностей ТТ при уменьшении абсолютного значения вторичной нагрузки и ее активно-реактивного характера.

МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Обратимся к векторной диаграмме ТТ на рис. 3 [15–17]. Диаграмма детализирована для вторичной обмотки ТТ и выполнена для реального ТТ, имеющего активно-реактивные потери в сердечнике (на создание магнитного потока, гистерезис, вихревые токи и нагрев магнитопровода), в обмотках и вторичной нагрузке. Построение диаграммы начато с вектора вторичного тока I2, вызываемой им магнитодвижущей силы (МДС) F2 и активной составляющей падения напряжения U2rт = I2R2т на активном сопротивлении R2т вторичной обмотки ТТ (векторы направлены вдоль оси абсцисс).

Вектор индуктивной составляющей падения напряжения на вторичной обмотке U2xт = I2X2т опережает на 90O вторичный ток I2 и поэтому направлен к нему перпендикулярно вверх (опережение векторов принято отсчитывать по направлению против часовой стрелки). Аналогичным образом построены векторы активной U2rн = I2R2н и индуктивной U2xн = I2X2н составляющих падения напряжения на вторичной активной R2н и индуктивной

X2н нагрузке. Угол 2 отражает сдвиг фазы между векторами электродвижущей силой (ЭДС) Е2и током I2 (определяется наличием во вторичной цепи ТТ реактивных сопротивлений обмотки и нагрузки), 2н – сдвиг фаз между векторами напряжения U2н и тока I2н вторичной нагрузки, а cos 2н – коэффициент мощности нагрузки.

Векторная сумма падений напряжения на вторичной обмотке U2т и нагрузке U2нравна вектору ЭДС Е2.

ЭДС Е2 генерируется во вторичной обмотке ТТ под влиянием вектора магнитного потока Ф0, который опережает на угол = 90O ЭДС и поэтому направлен к вектору Е2 перпендикулярно влево. Магнитный поток Ф0 равен