Г.А.Л._Изб. раб. по АСКУЭ

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

161

разности потока Ф1, создаваемого первичной МДС F1 = I1w1, и потока Ф2, создаваемого вторичной МДС F2 = I2w2, который направлен навстречу Ф1 (на диаграмме потоки Ф1 и Ф2 не показаны). Поэтому поток

Ф0 производится основной МДС F0= I0w1, которая равна F0 = F1 + F2 и в нормальном режиме работы ТТ составляет не более 1–2% от F1 (на диаграмме масштаб этой МДС преувеличен). Эта МДС отстает от потока Ф0 на угол 0, называемый углом потерь, и характеризуется активной и реактивной (индуктивной) составляющими F0а и F0р. Далее по F0 и F2строится их векторная сумма F1 (очевидно, что всегда F1 > F2).

Угол между векторами токов I1 и I2 представляет собой токовую погрешность ТТ (эта погрешность положительна, когда вектор –

F2 опережает вектор F1), и ее величина обычно не превышает 1–1,5O или 60–90 минут. В идеальном ТТ (без потерь в сердечнике) F0 = 0 и F1 = – F2 или по модулю I1w1 = I2w2. Отсюда I1 =(w2 / w1)I2 = kwI2, где kw = w2 / w1 – витковый коэффициент трансформации. Иными словами, токи в обмотках идеального ТТ обратно пропорциональны числам витков, причем независимо от величин или диапазона изменений токов.

В реальном же ТТ всегда F0 ≠ 0 и I1 > I1* = kwI2, что является причиной появления отрицательной токовой погрешности – при вычислении I1 по kw и измеренному значению тока I2.

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)		162

© Гуртовцев А.Л. Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)	163

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

164

Кроме того, реальный ТТ может работать только в определенном диапазоне первичных и вторичных токов, выбор которого привязывают к их номинальным значениям. В соответствии с этим используют одно из двух условий:

при котором токовая погрешность отрицательна во всем диапазоне изменения I1[14,17];

при котором в зависимости от величины w2 уменьшения числа витков вторичной обмотки – витковой коррекции – может быть достигнута отрицательная токовая погрешность при одних значениях I1 и положительная при других или положительная погрешность при всех значениях I1 (при неизменных I1, w1 и уменьшении w2 уменьшается kw и увеличивается I2).

Значения токовой и угловой погрешностей ТТ (и их изменения) зависят сложным образом от I0, I2, kw, углов 0 и 2, и их качественный анализ только на основе векторной диаграммы недостаточен. На основании (1), векторной диаграммы (рис. 3) и следуя [15, 16], запишем следующие выражения для токовой и угловой погрешностей:

Из (6) и (7) следует, что оба типа погрешностей главным образом зависят от величины I0. В идеальном ТТ I0 = 0 и погрешности равны нулю, независимо от значений других величин, входящих в формулы. В этом случае на диаграмме вектор F1 совпадает с вектором –F2. В реальном же ТТ всегда I0

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

165

0 и на значения и влияют все пять величин. Для конкретного ТТ в целях упрощения анализа можно исключить из рассмотрения величины 0 и kw, считая их фиксированными в конструкции ТТ, а составляющую 2 свести к составляющей 2н = 2 – 2т (где 2т также фиксированная величина). Тогда погрешности ТТ определятся тремя основными величинами: I0,

I2 и 2н ( 2н зависит от соотношения реактивного X2н и активного R2н сопротивлений вторичной нагрузки

В нормальном режиме, когда Z2н Z2ном и ток I0 1%I1, погрешности зависят от I2, X2н и R2н следующим образом:

а) при уменьшении Z2н до нуля ( 2н = 0 и cos 2н = 1) ток I2 соответственно возрастет, а ток I0, угол 2 и sin ( 0 + 2) уменьшатся, что приведет к уменьшению абсолютной величины (она станет более положительной, т.е. график сместится вверх); аналогично для угла уменьшится его абсолютная величина (она станет менее положительной, т.е. график сместится вниз, хотя и в меньшей степени, чем график (из-за компенсации уменьшения I0 увеличением cos ( 0 + 2));

б) при сохранении величины Z2н, но изменении cos 2н (переходе от cos 2н < 1 к cos 2н = 1, т.е. исключении реактивной составляющей

нагрузки) абсолютные величины токов сохранятся, sin ( 0 + 2) уменьшится, cos ( 0 + 2) возрастет и в результате станет менее отрицательной (график сместится вверх), а , наоборот, увеличится (график также сместится вверх), что соответствует результатам [14].

Интересно отметить, что в случае полного исключения активной составляющей во вторичной цепи ТТ угол 2 равен 90O, вектор потока Ф0 совпадает по направлению с вектором –F2, а вектор F1 опережает –F2, т.е. угловая погрешность становится отрицательной.

При выполнении условия (3), т.е. при использовании в ТТ витковой коррекции, формулы (4) и (5) можно преобразовать (с учетом того, что kw = kном – kw и kw = w2 / w1) к следующему виду:

Обычно w2 = 0,5–1, т.е. коррекция проводится на виток или полвитка. Например, ТЛМ-10-300/5 класса 0,5 из [14] имеет w1 = 2 и w2 = 119, а kном = 300 / 5 = 60. Коррекция составляет w2 = 1, а kw = 1/2 = 0,5. Тогда величина первого слагаемого (уменьшаемого) в (8) получит значение 0,5 / 60 = 0,8% (выше предела класса точности при 20–120% I1 / I1ном). Токовая погрешность ТТ согласно (8) при уменьшении абсолютной величины вторичной нагрузки изменится следующим образом: абсолютная величина второго слагаемого (вычитаемого) уменьшится, а разность, т.е. значение

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

166

токовой погрешности , увеличится. График погрешности сместится вверх в

сторону ее границы, определяемой значением уменьшаемого. Наоборот, при увеличении вторичной нагрузки увеличится вычитаемое, а разность уменьшится. Поведение угловой погрешности по (9) аналогично вышеописанному поведению ее по (7).

Из проведенного анализа по формулам (6), (7) и (8), (9) можно сделать следующие выводы:

угловая погрешность ТТ при уменьшении величины вторичной нагрузки ТТ до нуля остается в классе (при условии, что она находится в классе при номинальной вторичной нагрузке);

в ТТ без витковой коррекции токовая погрешность при уменьшении величины вторичной нагрузки до нуля остается в классе (при условии, что она находится в классе при номинальной вторичной нагрузке;

именно для таких ТТ справедливы выводы работы [10]);

в ТТ с витковой коррекцией токовая погрешность может выйти из класса при уменьшении величины вторичной нагрузки до нуля в том случае, если верхняя граница витковой погрешности превышает границу класса (этот случай характерен для производства ТТ из анизотропной холоднокатаной ЭС, рассчитанной на использование в силовых трансформаторах: в таких ТТ с помощью витковой коррекции и без увеличения сечения магнитопровода удается компенсировать относительно невысокую, а главное, не нормируемую величину магнитной проницаемости при первичных токах 1–5% I1 / I1ном).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе показано, что при уменьшении вторичной нагрузки ТТ ниже предела в 25% от номинальной нагрузки, установленного ГОСТом на ТТ, большинство ТТ остаются в классе. Поэтому при модернизации приборного учета электроэнергии, связанной с заменой индукционных электросчетчиков электронными, в большинстве случаев нет необходимости, вопреки распространенному мнению, принимать какие-либо меры для искусственного повышения величины вторичной нагрузки ТТ или, наоборот, снижения номинальной мощности вторичной нагрузки ТТ (по крайней мере, из-за указанных причин).

Ограничение нижнего предела вторичной нагрузки ТТ ГОСТом следует признать нецелесообразным по практическим соображениям (с точки зрения потребителей) и приведенным теоретическим расчетам. Вместе с тем в ТТ с витковой коррекцией, в которых отношение kw / kном превышает пределы, установленные классом точности этих ТТ, может, в зависимости от конструкции ТТ, иметь место выход токовой погрешности за пределы класса при уменьшении вторичной нагрузки до нуля (как правило, в области номинальных первичных токов). Только для таких ТТ следует принимать меры по коррекции вторичной нагрузки (в технической же документации на ТТ следует в обязательном порядке указывать данные по использованной витковой коррекции и необходимости внешней коррекции минимальной вторичной нагрузки ТТ).

Рекомендуется изготовителям производить ТТ, устойчивые к снижению

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

167

величины вторичной нагрузки до нуля (за счет применения, например, комбинированных магнитопроводов из НС и ЭС или только из НС), а потребителям выбирать ТТ с учетом такой устойчивости ТТ.

ЛИТЕРАТУРА

1.ГОСТ 7746-2001. Трансформаторы тока. Общие технические условия.

2.Загорский Я.Т. Метрологическое обеспечение измерений для учета электроэнергии – насущная или ничтожная проблема? // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – № 3(21).

3.ОСТ ЭЛ 4-40. Трансформаторы тока. Общие технические условия.

4.ГОСТ 6570-75. Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия.

5.Вострокнутов Н.Г. Электрические счетчики и их эксплуатация. – 5-е изд.

– М.-Л.: Государственное энергетическое издательство, 1950.

6.ГОСТ Р 52322-2005. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 21. Статические счетчики активной энергии классов точности 1 и 2.

7.ГОСТ Р 52322-2005. Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования. Часть 22. Статические счетчики активной энергии классов точности 0,2S; 0,5S. 8. Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И. Электронные электросчетчики. Доверять или проверять? // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1(31).

9.Даниелян Н. Точность учета электроэнергии зависит от правильного выбора и подключения измерительных трансформаторов // Новости ЭлектроТехники. – 2003. – № 3(21).

10.Гуртовцев А.Л. О нижней границе вторичной нагрузки измерительных трансформаторов тока // Энергетик. – 2005. – № 10.

11.Фролов В.А. Погрешности трансформаторов тока в системах учета электроэнергии // Электрика. – 2006. – № 6.

12.Раскулов Р.Ф. Влияние вторичной нагрузки на погрешности трансформаторов тока // Электрические станции. – 2003. – № 7.

13.Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И. Измерительные трансформаторы тока на 0,4 кВ: испытания, выбор, применение // Новости ЭлектроТехники. – 2004. – № 1(25).

14.Сопьяник В.Х. Погрешности измерительных трансформаторов тока: исследования, особенности, рекомендации // Новости ЭлектроТехники. – 2004. – № 6(30).

15.Электрические измерения: Учебник для вузов/Под ред. А.В. Фремке и Е.М. Душина. – 5-е изд. – Л.: Энергия, 1980.

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

17.Попов В.С. Электротехнические измерения: Учебник для техникумов. – М., Энергия, 1968.

Справка

Статья опубликована в журналах:

Новости Электротехники (см. выше), №2, 2008 (Россия) Энергетика и ТЭК, №5, 2008 (Беларусь) Электрические сети и системы, №4, 2008 (Украина)

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

168

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ТОКА ДЛЯ СЕТЕЙ 0,4-10 КВ. В ПОИСКАХ КАЧЕСТВА

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

Стандарты и требования энергетиков

Измерительные трансформаторы тока (ТТ) используются для подключения электросчетчиков и других измерительных приборов в точках учета электроэнергии при любых первичных токах в сетях напряжением выше 0,4 кВ и при токах, как правило, выше

60-80 А в сетях 0,4 кВ (при меньших токах в сетях 0,4 кВ применяются электросчетчики непосредственного включения). ТТ, как и измерительные трансформаторы напряжения,

относятся к масштабным преобразователям электроэнергии, являются средствами измерений и имеют нормированные метрологические характеристики.

ТТ должны удовлетворять требованиям стандартов, главным из которых является ГОСТ 7746-2001[1]. Этот стандарт классифицирует ТТ по принципу конструкции, по виду изоляции, по числу вторичных обмоток и их назначению, по числу коэффициентов трансформации, задает номенклатуру параметров, а также их номинальные и минимаксные значения, определяет метрологические характеристики. Другие стандарты устанавливают дополнительно требования к ТТ, как к электрооборудованию в целом, например, по электрической прочности изоляции (для ТТ на напряжение 3-10 кВ и выше) [2] .

Среди изготовителей измерительных трансформаторов и энергетиков (потребителей этой продукции) бытует два различных отношения к стандартам: первые считают выполнение требований стандартов необходимым и достаточным условием для применения своих изделий, а вторые полагают, что стандарты задают только необходимые, но не достаточные условия для их использования. Иными словами, стандарты определяют нижний, минимальный уровень требований, а их верхний, более высокий уровень формируется на практике исходя из достигнутого уровня техники и постоянно растущих требований энергетиков, призванных обеспечить эффективное решение задач современного учета электроэнергии. Стандарты всегда отстают от требований жизни. Если изготовители стремятся к распространению своей продукции, то они должны в максимальной степени учитывать пожелания и требования потребителей, а не закрываться от них как щитом устаревшими нормами стандартов, что часто имеет место в действительности.

Каковы же пожелания энергетиков для рассматриваемых изделий? Возьму на себя смелость сформулировать три главных:

а) обеспечение требуемых метрологических характеристик ТТ в реальных условиях эксплуатации и в течение всего срока их службы;

б) обеспечение защиты от хищений электроэнергии при возможных манипуляциях с

ТТ;

в) обеспечение пожаро- и электробезопасности ТТ.

Возможно, следует дополнительно упомянуть требование конструктивной и электромагнитной совместимости ТТ с другими электроустановками на объектах учета. Без преувеличения можно сказать, что еще сравнительно недавно мало кто из производителей ТТ на постсоветском пространстве мог утверждать, что его трансформаторы в полной мере удовлетворяют этим требованиям (при том, что все они были реализованы согласно стандартам). В частности, исследование [3] выявило ряд недостатков ТТ для сетей 0,4кВ российских, белорусских, украинских и литовских производителей. Даже такой многолетний лидер в производстве трансформаторов, как ОАО «Свердловский завод трансформаторов тока», только в первой половине 2006 г. реализовал одно из

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

169

необходимейших требований защиты от хищений электроэнергии в сетях 0,4-10кВ -

пломбирование вторичных контактов измерительных обмоток ТТ [4].

Декларирование высокого качества своей продукции тем или иным изготовителем далеко не всегда соответствует действительности и, к сожалению, в большинстве случаев это выявляется только в процессе эксплуатации ТТ на объектах учета, когда происходят случаи их возгорания, метрологических отказов или хищения электроэнергии. Именно поэтому в белорусской энергосистеме начиная с 2004 года проводятся ежегодно отраслевые испытания новых средств учета электроэнергии, включая ТТ, и по их результатам формируется «Отраслевой рекомендуемый перечень средств коммерческого учета электроэнергии для целей применения в составе АСКУЭ». В мае 2007 г. была выпущена уже третья редакция этого перечня [5], в которую, в частности, были впервые включены литые ТТ на 6-10 кВ производства российской компании ООО «Электрощит-К», головного предприятия Группы компаний «Трансформэлектро» (ТФЭ, см. справку №1). В настоящее время после серии испытаний новых средств учета формируется очередная редакция перечня, в которую войдут, в том числе, и ТТ на 0,4 кВ ПРУП «Минского электротехнического завода им. В.И.Козлова» (МЭТЗ, см. справку №2) с оригинальным комбинированным сердечником.

Метрологическая нестабильность ТТ

В [3] приведены сведения о том, что по различным источникам (в первую очередь украинским и литовским) при метрологической поверке ТТ 0,4 кВ процент брака колеблется от 20 до 80 процентов. Эти данные можно дополнить более свежими. В белорусской энергосистеме в последние годы проводится массовая замена в сетях 0,4-10 кВ ТТ класса 0,5 на класс 0,5S. При этом контролируются метрологические характеристики всех демонтируемых ТТ.

По данным цеха по ремонту приборов учета филиала ПСДТУ РУП «Гродноэнерго» за 2006 г. было снято с объектов энергосистемы 2647 шт. трансформаторов ТК-20 и Т-0,66 У3, прослуживших 8-15 и более лет. Брак составил 2335 шт., или 88%. Интересно отметить, что за тот же период у ТТ, снятых с трансформаторных подстанций абонентов, из 177 шт.

было забраковано только 14 шт. (8%). По трансформаторам 6-10 кВ из 12 шт. было забраковано 4 шт. (33%). По данным цеха РУП «Брестэнерго» за тот же период из 2500 шт. проверенных ТК-20 и Т-0,66 У3 брак составил 600 шт., или 25%. Браковка трансформаторов проводилась из-за превышения их токовых погрешностей (как правило, на 20-40%, а в отдельных случаях на 100-200% относительно максимально допустимых погрешностей).

Эти отклонения наблюдались при пониженных значениях первичного тока (5-40% от номинального), что свидетельствует об изменении электромагнитных характеристик сердечников в области малых значений напряженности магнитного поля (на начальном участке кривой намагничивания).

Причина метрологических отказов – климатические и эксплуатационные воздействия на магнитопроводы ТТ, в частности, колебания температуры и влажности в местах установки трансформаторов, а также эпизодически возникающие при токах короткого замыкания (КЗ) в первичных цепях ТТ тепловые и магнитострикционные удары. Эти факторы, действуя совместно, изменяют магнитные характеристики (доменную структуру и соответственно магнитную проницаемость) магнитопроводов трансформаторов. Большой разброс процента брака ТТ в энергосистеме и у потребителей как раз свидетельствует о значимости указанных факторов. У

потребителей ТТ устанавливаются на трансформаторных подстанциях, которые, как правило, располагаются в зданиях и если не полностью, то хотя бы частично защищены от климатических воздействий. В энергосистемах же ТТ размещаются чаще всего в КРУНах и не имеют должной климатической защиты (подтверждение тому – ржавые сердечники трансформаторов, извлекаемых из КРУНов). Кроме того, токи КЗ в линиях

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

170

потребителей, присоединенных к питающему фидеру подстанции энергосистемы, оказывают более частое воздействие на ТТ энергосистемы, чем на собственные ТТ. Различие же в цифрах брака ТТ между соседними энергосистемами возможно связано как с различием условий и сроков эксплуатации ТТ, так с различием условий их поверки (в гродненской энергосистеме поверка ТТ проводится, видимо, более тщательно).

Брак в 25-88% для ТТ, которые еще не выработали свой срок службы, недопустим и свидетельствует о низком качестве трансформаторов. Следствием использования таких изделий является рост издержек энергосистемы на приобретение и установку раньше срока новых трансформаторов, а также потери электроэнергии в связи с ее недоучетом (в

области первичных токов менее 40% номинального тока токовая погрешность ТТ имеет,

как правило, отрицательное значение). В результате в энергосистеме неизбежен рост тарифов на электроэнергию, который возвращается к ее потребителям, включая изготовителей трансформаторов, дополнительными издержками. Круг замкнулся:

некачественные ТТ вводят в дополнительные издержки не только энергетиков, но и общество в целом.

Изготовители, защищаясь от нападок на качество своих ТТ, могут сказать, что, вопервых, их изделия соответствуют стандартам, и, во-вторых, что ТТ следует устанавливать в подходящих условиях и не подвергать экспериментам с КЗ. Но такие трансформаторы энергетикам не нужны: всегда следует в решениях исходить из реальных, а не надуманных условий. А мнение энергетиков относительно стандартов высказано выше.

Проблемы отбора трансформаторной стали для ТТ

Метрологическая стабильность современных электромагнитных ТТ определяется в первую очередь их магнитопроводами (сердечниками), магнитные параметры которых существенно зависят от типа и марки материала. Сегодня в качестве материала сердечников ТТ используются на альтернативной основе три группы различных сплавов: а) электротехническая сталь, б) нанокристаллические сплавы, в) пермаллой.

Сталь, как известно, это сплав железа с углеродом (до 2% С). Электротехническая сталь содержит добавки кремния (до 4,8% Si), который увеличивает ее магнитопроницаемость и электросопротивление, снижая удельные потери энергии в материале. По видам продукции электротехническую сталь подразделяют на листовую, рулонную и ленту. Тонколистовую электротехническую сталь классифицируют: а) по структурному состоянию и виду прокатки на три класса: 1- горячекатаную изотропную, 2 - холоднокатаную изотропную, 3- холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой (с выраженным ориентированным зерном); б) по содержанию кремния на шесть типов (в том числе, тип 4 содержит 2,8-3,8 Si); в) по основной нормируемой характеристике – удельным магнитным потерям Р – при заданной индукции В [Тл]/частоте f [Гц] на пять групп: 0 - (Р1,7/50), 1 – (Р1,5/50) и другие. По содержанию кремния электротехническую сталь подразделяют на динамную (< 2,8% Si, т.е. типы 0-3) и трансформаторную (>2,8% Si, т.е.

типы 4 и 5).

Для изготовления магнитопроводов ТТ используют дорогостоящую высококачественную тонколистовую электротехническую (трансформаторную) сталь

класса 3, типа 4, группы 0 или 1 (например, марки 3408, 3409), изготавливаемую, согласно ГОСТ 21427.1-83 [6], толщиной 0,27-0,35мм, шириной 650-1000мм и поставляемую сталепрокатным предприятием изготовителю трансформаторов, как правило, в виде рулонов весом до 5 т (см. фото ниже). В России монополистом по производству трансформаторной стали является НМЛК (см. справку № 3). Альтернативой его продукции может быть только импортная трансформаторная сталь, например, из Германии, Чехии или Китая, которая дороже и облагается в России, кроме того, 5-процентной импортной пошлиной. Поэтому большинство изготовителей ТТ на просторах СНГ (но не все!) применяют для своих магнитопроводов трансформаторную сталь от НЛМК.