Новые возможности измерительных трансформаторов тока 6-35 кВ

Для решения нестандартных задач в области коммерческого учета электроэнергии.

Как вы знаете, трансформаторы тока предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам и устройствам защиты и управления, а также для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения.

Необходимость создания высокоточных измерительных трансформаторов тока назревала давно, а с возможностью приобретать электроэнергию на оптовом рынке и необходимостью ее коммерческого учета согласно требованиям НП АТС, особенно. Однако, небольшой выбор отечественных трансформаторов с узким диапазоном фиксированных характеристик не покрывал разнообразные требования потребителей, выходящих на оптовый рынок электроэнергии и мощности.

Учитывая это, начиная с 2003 года, группа компаний «Трансформэлектро», в которую входят ООО «Электрощит-К», ОАО «Бабынинский завод «Юность» и ООО «ТД Электрощит-К», начала производить литые измерительные трансформаторы тока 6-35 кВ марок ТЛО и ТЛП по технологии компании KWK Messwandler, Германия.

Продукция запатентована, сертифицирована, внесена в Госреестр средств измерений РФ и Реестр системы «ЭнСЕРТИКО». Имеются лицензии на право конструирования и изготовления электротехнического оборудования для атомных станций, выданные Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору.

Производство сертифицировано по стандарту системы менеджмента качества DIN EN ISO 9001:2000.

Возможно изготовление с четырьмя вторичными обмотками с классом точности 0,5; 0,5S; 0,2; 0,2S, а также с различными коэффициентами трансформации в одном трансформаторе тока, с нестандартными вторичными нагрузками и крышкой для пломбирования вторичных цепей.

Средняя наработка на отказ трансформаторов ТЛО и ТЛП составляет 40×10 в 4 степеничасов, срок службы 25 лет. Остановимся подробнее на ТТ напряжением 10 кВ.

Преимущества трансформаторов тока ТЛО-10, 24, 35 и ТЛП-10

1. Важным достоинством трансформаторов ТЛО-10 является возможность изготовления этих изделий с 3-мя обмотками в габаритах 2-х обмоточного трансформатора, также возможно изготовление до 4-х обмоток в увеличенном габарите.
2. Трансформаторы ТЛО и ТЛП-10 могут изготавливаться с различными коэффициентами трансформации на измерительных и защитных обмотках, в соотношении 1:2, 1:3, что очень важно при замене существующих трансформаторов тока, включенных в схемы дифференциальной защиты силовых трансформаторов и увеличения точности измерений при небольших нагрузках.
3. Трансформаторы ТЛО и ТЛП-10 изготавливаются с различной величиной вторичной нагрузки, что позволяет обеспечить требование ГОСТ-7746 раздел 6,4.
4. Трансформаторы имеют прозрачную защитную пластмассовую крышку, предназначенную для закрытия и пломбирования выводов измерительной обмотки.
5. Возможность изготовления трансформаторов с переключеним по первичной обмотке. Это очень важно для объектов, где в дальнейшем предусмотрено изменение мощностей.
6. При этом уменьшена, по сравнению с российскими аналогами, ширина и масса, что дает определенные преимущества при их установке в ячейки КРУ, КСО, не только старых типов, но и в новые КРУ, КСО уменьшенных габаритов и т.д.
7. Одним из определяющих параметров является уровень частичных разрядов (ЧР) изоляции первичной обмотки. Трансформаторы тока имеют уровень ЧР не более 5 пКл при напряжении 7,62 кВ, а испытательное напряжение составляет 42 кВ, как для фарфоровой изоляции. При этом на заводе проверяются на ЧР все трансформаторы.
8. Трансформаторы тока ТЛО-10 имеют исполнения с односекундным током термической стойкости 40 кА, начиная с первичного тока 100 А и 5 кА, начиная с первичного тока 20 А при сохранении габаритных размеров.
9. На панели вторичных выводов трансформатора с двумя вторичными обмотками предусмотрен вывод заземления, к которому может крепиться «экран».
10. Для повышения точности учета электрической энергии трансформаторы тока изготавливаются в различном сочетании класса точности и номинальной вторичной нагрузки. Это особенно актуально при использовании электронных счетчиков, имеющих значительно меньшую индуктивность и сопротивление токовой обмотки, что повышает точность измерений.
11. Трансформаторы тока ТЛО-10, ТЛП-10 с тремя вторичными обмотками могут быть использованы в системах АИИС КУЭ без конструктивных изменений ранее установленных ячеек КРУ 6-10 кв.

Группа компаний «Трансформ-электро» изготавливает трансформаторы тока в исполнении для АЭС, которые могут отвечать требованиям Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору, особенно в части вопросов по токам термической и электродинамической стойкости.

На сегодняшний день наша продукция особенно востребована при реализации проектов АИСКУЭ.

Хорошо известно, что автоматизированная информационная измерительная система коммерческого и технического учета электроэнергии и мощностей (АИИС КУЭ) представляет собой сочетание современных средств измерения — измерительных трансформаторов тока и напряжения, счетчиков, вычислительной техники, программного обеспечения, средств приема, обработки и передачи информации. Важной особенностью АИИС КУЭ является то, что она дает возможность покупать электроэнергию на оптовом рынке электроэнергии и мощностей (НОРЭМ). Учитывая постоянный рост стоимости электроэнергии, важно отметить, что современные системы измерения и контроля позволяют потребителям сэкономить серьезные финансовые ресурсы.

Наличие АИИС КУЭ позволяет реализовать следующие основные преимущества: во-первых, влиять на потребление электроэнергии в периоды суточных пиковых и полупиковых нагрузок и реально снизить оплату за потребляемую мощность; во-вторых, исключить прямое хищение, в-третьих навести порядок в собственном потреблении.

Наиболее массовыми точками расчета за отпущенную и полученную электроэнергию являются присоединения 6-10 кВ, где, на границе балансовой принадлежности потребителя и поставщика электроэнергии, устанавливаются расчетные счетчики коммерческого учета, присоединенные к трансформаторам тока и напряжения.

Поскольку трансформаторов тока на 6-10 кВ в измерительных системах в 2-3 раза больше, чем счетчиков и трансформаторов напряжения, важным показателем качества измерительных систем является правильный подбор измерительных трансформаторов тока, иначе, даже после создания АИИС КУЭ, потребители имеют потери от погрешности элементов, а не экономию средств.

Измерительные трансформаторы тока с обмоткой класса точности 0,2S — это веление времени, поскольку в совокупности с измерительными трансформаторами напряжения 0,2 и счетчиками класса точности 0,2S они обеспечивают точность измерения, т.е. экономию средств, начиная с 0,5% от номинального тока. Трансформаторы тока ТЛО-0,2S и ТЛП-0,2S имеют погрешность измерения в 2,5 раза меньше, чем трансформаторы с классом точности 0,5S, не говоря уже о трансформаторах с классом точности 0,5.

Рассмотрим основные ошибки и заблуждения при создании системы АИИС КУЭ

Потребитель считает, что, заменив индукционные счетчики на микропроцессорные без замены трансформаторов тока, будет достигнута необходимая точность учета.

Но при этом:

1. Коэффициенты трансформации трансформаторов тока 6-35 кВ выбираются с завышенными параметрами из-за низкой термической и электродинамической стойкости к токам короткого замыкания, исходя из проектной мощности электроустановок.

   Оставляемые без замены трансформаторы тока 6-35 кВ, хотя и проверенные для коммерческого учета, зачастую не проверяются на термическую и электродинамическую стойкость из-за увеличившейся мощности энергосистемы, строительства новых линий.

   Поэтому при эксплуатации трансформаторы тока находятся в условиях, при которых погрешности выходят за пределы допустимых ГОСТ 7746-2001.

2. Нижний предел нормированной погрешности трансформатора тока с классом точности 0,5 при 5% номинального тока составляет 1,5%. В совокупности с погрешностями измерений трансформаторов напряжения и счетчиков общая погрешность измерительного канала достигает 2,9-3%.
3. Поверенные в классе точности 0,5 трансформаторы тока 6-35 кВ, из-за близкого расположения к счетчикам и резкого уменьшения вторичной нагрузки обмотки класса точности 0,5 при замене индукционного счетчика на микропроцессорный (до 0,015 ВА), не будут работать в классе точности 0,5 при нагрузках до 20% номинального тока.

Поскольку магнитопроводы обмотки класса точности 0,5 изготавливались из обычной электротехнической стали, имевшие высокие потери на перемагничивании, по сравнению с магнитопроводами из аморфных или специальных сплавов.

Большинство установленных в прошлом столетии трансформаторов тока имели расчетную мощность вторичной нагрузки 10 ВА и, соответственно, нижний предел нагрузки 3,75 ВА (ГОСТ 7746-), при этом в измерительную цепь вторичной обмотки класса точности 0,5 включались измерительные приборы и устройства.

Требования НП АТС однозначно устанавливают необходимость обеспечения отдельной измерительной обмотки только для коммерческого учета, совместное включение счетчиков и устройств недопустимо при различном рынке электроэнергии.

Исключение из цепи вторичной обмотки класса 0,5 мощностью 10 ВА нагрузки приборов и устройств, приводит к уменьшению вторичной нагрузки менее нижнего предела, и токовая погрешность выходит за верхний предел допускаемой ГОСТом погрешности.

Высокая точность измерений потребления электроэнергии не предусматривалась в типовых проектах 70-80 годов XX века.

Реальные условия эксплуатации измерительных трансформаторов тока были детально рассмотрены специалистами завода «Электрощит-К» и, в результате, на основе технических решений и использования импортных материалов изоляции и магнитопроводов трансформаторов тока ТЛО-10 были созданы трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35, в лучшую сторону отличающиеся от трансформаторов тока, выпускаемых российскими производителями.

Основные отличия следующие:

1. Трансформаторы тока, кроме измерительной обмотки класса точности 0,2S, имеют одну обмотку для подключения устройств защиты класса 5Р или 10Р и одну обмотку класса точности 0,5 для подключения измерительных приборов (амперметров, вольтметров, ФНП и р.).
2. Диапазон измерения первичных токов в заданном классе точности 0,2 S или 0,5 S составляет от 5 до 2500 А.

   2.1. Номинальный первичный ток трансформатора тока ТЛК-35 измеряет от 150 А, что ограничивает область его применения.

   Трансформатор тока ТЛО-24 и ТЛО-35 обеспечивают измерение первичного тока во всем диапазоне реальных нагрузок потребителей на напряжение 35 кВ.

   2.2. Трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35 могут изготавливаться в одном корпусе с различными коэффициентами коммерческой обмотки 0,2S и защитных обмоток (при гарантированной термической стойкости) в соотношении 1:2 или 1:3, с различными вторичными токами коммерческой и защитных обмоток 1 А и 5 А, широким диапазоном мощности каждой из трех вторичных обмоток от 1 ВА до 30 ВА.

   Например: ТЛО-35 0,2S/0,5/5Р-1,25/30/30%200/400/400/1/5/5.

   2.3. Трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35 могут изготавливаться разным коэффициентом трансформации первичного тока в соотношении 1:2, с возможностью механического переключения, позволяющей увеличить коэффициент трансформации. Например, с 300 А/5 А до 600 А/5 А при увеличении потребляемой мощности потребителя.

   2.4. По заявке потребителя могут изготавливаться трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35 с расширенным диапазоном измерения коммерческой обмотки от 0,5% до 200% номинального первичного тока.

3. Гибкий диапазон номинальных вторичных нагрузок от 1 ВА до 30 ВА, в отличие от фиксированных величин нагрузки отечественных трансформаторов тока. Эта характеристика позволяет максимально согласовать нагрузку трансформатора тока в цепи.

   3.1. Номинальный класс точности 0,2S; 0,5S поддерживается и при нагрузках вторичной обмотки менее нижнего предела, определяемого ГОСТ 7746, близкое к нулю. Это означает, что благодаря этой возможности счетчики электроэнергии могут устанавливаться в непосредственной близости от трансформаторов тока без расчета сопротивления соединительных проводов, без опасения выйти за нижний предел допускаемой нагрузки.

4. Высокие характеристики уровня изоляции класса «б» позволяют испытывать трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35 в составе комплектных распределительных устройств, как имеющих фарфоровую изоляцию.

Из вышеизложенного следует, что трансформаторы тока ТЛО-24 и ТЛО-35 обеспечивают любые требования потребителя при создании системы коммерческого учета.

Кроме того, трансформаторы тока ТЛО-24 будут весьма востребованы при переводе городских сетей крупных городов на напряжение 20 кВ.

Рассмотрим некоторые реалии сегодняшнего дня.

На практике, в настоящее время выбор измерительных трансформаторов в основном сводится к подбору из серийно выпускаемых тех, которые по своим номинальным параметрам лежат наиболее близко к требуемым. Такой подход достаточно прост, однако не всегда позволяет произвести правильно выбор и очень часто может привести к увеличению погрешности измерений. Рассмотрим и проанализируем некоторые подобные случаи:

Случай 1. Для коммерческого учета требуется опорный трансформатор тока на малый первичный ток (напр. 50 А) с высоким значением тока термической стойкости (31,5 КА).

Среди серийно выпускаемых трансформаторов тока подобных нет, поскольку обычные опорные трансформаторы на малые первичные токи имеют малые значения токов термической стойкости.

Как поступают на практике проектировщики? Они выбирают из серийных трансформаторов тот, который обеспечивает необходимый ток термической стойкости и имеет при этом минимальный первичный ток. В частности, для нашего примера — это трансформатор тока на 300 А с классом точности 0,5.

Согласно ГОСТ, этот трансформатор должен обеспечивать точность измерений в пределах от 5% и до 120% номинального первичного тока, т.е. от 15 А и до 360 А, и следовательно его можно использовать для измерений на 50 А. Так ли это?

Во-первых, трансформатор тока на 300 А при 50 А первичного тока по ГОСТ допускает ошибку от ±0,75% до ±1,5%, что значительно выше, чем ошибка, которая допускается для трансформатора тока с номинальным значением первичного тока 50 А — это ±0,5%.

Во-вторых, для трансформатора тока на 50 А нижний предел первичного тока равен 2,5 А вместо 15 А для трансформатора на 300 А.

Таким образом, используя трансформатор тока на 300 А, мы увеличили погрешность измерений и повысили допускаемый нижний предел первичного тока.

Случай 2. Нужен измерительный трансформатор тока с определенным коэффициентом безопасности прибора, чтобы одновременно с измерением обеспечить защиту измерительных приборов в случае короткого замыкания в первичной цепи.

На практике требуемые значения коэффициента безопасности прибора обычно равны 5 или 10, а серийные трансформаторы часто имеют значения более 10. По Вашему требованию мы можем подобрать коэффициент безопасности для обмотки измерения и предельную кратность для обмотки защиты, которые позволят ограничить ток в соответствующих обмотках, тем самым сэкономить на дополнительной защите.

Серийные трансформаторы тока не позволяют в полной мере использовать преимущества трансформаторов тока с заданными значениями коэффициента безопасности прибора.

Можно привести еще целый ряд других случаев, когда использование серийных трансформаторов с определенными, уже заранее установленными номинальными параметрами, приводит как к увеличению погрешности измерений, так и значительному удорожанию всей системы измерения и защиты.

Так же хочется отметить, что, применяя ТТ марок ТЛО и ТЛП класса точности 0,2S, потребитель обеспечивает не только точное измерение потребленной электроэнергии (мощности), но и получает высокий коэффициент качества своей АИИС КУЭ, что избавит от дополнительных расходов при распределении небаланса электроэнергии поставщика на оптовом рынке.

Хотелось бы более подробно остановиться на классах точности ТТ.

Согласно ГОСТ 7746-2001 трансформаторы тока (ТТ), предназначенные для измерений, обеспечивают требуемый класс точности лишь в определенных диапазонах тех или иных параметров.

Например:

• Диапазон измерений первичного тока для классов — 0,2; 0,5 должен находиться в пределах от 5% до 120% величины номинального первичного тока. Для классов — 0,2S и 0,5S он должен находиться в пределах от 1% до 120% величины номинального первичного тока. При этом, по желанию заказчика могут быть изготовлены трансформаторы, имеющие нормированную погрешность измерения от 0,5% до 200% номинального тока.
• Диапазон изменений величины вторичной нагрузки для всех классов точности должен находиться в пределах от 25% до 100% номинальной вторичной нагрузки и т.д.
• Применение стандартных ТТ за пределами указанных интервалов приводит к увеличению погрешности измерений.

Однако, на практике не редки случаи, когда трансформаторы тока все же эксплуатируются в диапазонах измерений, выходящих за пределы допустимых по ГОСТу.

В частности, такая проблема существует при коммерческом учете на железных дорогах. Если в период отсутствия движения электропоездов на том или ином участке пути потребление электроэнергии минимально, то в момент наступления пика движения потребление энергии резко возрастает, в связи с чем величина первичного тока может быть значительно больше 120% номинального первичного тока. Подобная ситуация возникает и при коммерческом учете на строящихся или реконструируемых промышленных объектах, где постоянно увеличивается потребление электроэнергии.

Как поступать в таких случаях при выборе измерительных трансформаторов тока?

Один из наиболее простых и дешевых методов — это применение трансформаторов тока для коммерческого учета с расширенным диапазоном измерений.

Рассмотрим прежде всего ТТ с расширенным диапазоном измерений по первичному току. Существует два типа ТТ, которые позволяют расширить диапазон первичного тока.

Первый — это ТТ с переключением по первичной обмотке, и второй — это ТТ с расширенным диапазоном первичного тока (Extended current ratigs).

C помощью переключения по первичной обмотке можно ровно вдвое увеличить номинальный первичный ток измерительного трансформатора, сохраняя при этом его класс точности.

Например 800-400 А или 600-300 А, т.е. 2*I пер — I пер. Такие ТТ очень удобно использовать на вновь строящихся и расширяющихся промышленных объектах, где потребление электроэнергии постоянно растет. Простым переключением можно будет в случае необходимости изменить диапазон измерений оставаясь в классе точности, и тем самым обеспечить точность коммерческого учета в значительно большем интервале первичных токов.

Соединяя между собой медной пластиной резьбовые соединения 2-3-6-7 трансформатор тока будет иметь первичный ток I пер.

Соединяя между собой двумя медными пластинами резьбовые соединения 1-2-5-6 и 3-4-7-8 трансформатор тока будет иметь первичный ток 2*I пер.

Что касается трансформаторов тока класса Extended, то их применение позволит наладить точный коммерческий учет и в случаях, подобных описанному выше. Для этого достаточно при заказе трансформатора указывать лишь необходимое расширение диапазона тока.

Например, нужен ТТ с номинальным первичным током 200/5 А с классом точности 0,5S, который позволит проводить измерения до 600 А, оставаясь в классе точности.

Обычный стандартный трансформатор тока 200/5 А класса 0,5S обеспечивает точность измерений лишь до 240 А по первичному току (120% I пер.), поэтому в данном случае его использование для коммерческого учета неверно. Последнее требование соответствует классу точности 0,5S Ext. 300%, согласно которому такой ТТ будет находиться в классе 0,5S до 3-х кратного значения номинального первичного тока — 600 А.

Расширить диапазон измерений можно и для вторичной нагрузки, и для частоты, и т.д. Если, например, заказать ТТ с расширенным диапазоном по вторичной нагрузке (от 1 В*А до 5 В*А), то его можно будет применять как для обычного счетчика электроэнергии, так и для электронного (см. вышеописанный пример).

Все чаще и чаще вместо стандартных 50 Гц стали применяться ТТ с расширенным диапазоном частот (от 20 Гц до 2000 Гц), что позволяет более точно проводить измерения там где влияние высших гармоник в сетях значительно.

Подобное расширение диапазонов измерений ТТ, без специальных дорогостоящих разработок стало возможным за счет применения компьютерной техники.

С помощью специальных программ можно быстро рассчитать необходимые размеры сердечника ТТ, чтобы он обеспечивал нужный диапазон измерений.

Применение этой программы, а также современных технологий производства группы компаний «Трансформэлектро» позволяют быстро, просто и дешево спроектировать и изготовить ТТ с расширенным диапазоном измерений, что позволяет значительно повысить точность коммерческого учета электроэнергии.

С.А. КЛЮЕВ,
директор по развитию
ООО «Торговый Дом Электрощит-К».