Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Избранные работы по АСКУЭ (1981-2009)

Гуртовцев А. Л.,

Низковольтные однофазные измерительные рансформаторы тока. Испытание, выбор, применение

Гуртовцев А.Л., Бордаев В.В., Чижонок В.И.

Приборный недоучет электроэнергии

Коммерческий учет электроэнергии с использованием измерительных трансформаторов тока (ТТ) в распределительных сетях 0,4 кВ энергосистем и у потребителей все последние годы строился на основе массового использования однофазных двухобмоточных трансформаторов тока класса 0,5 и индукционных трехэлементных электросчетчиков класса 2,0 (активной и/или реактивной энергии), каждый из которых своими токовыми (последовательными) цепями подключается через три однофазные ТТ, а параллельными цепями (напряжения) непосредственно, к соответствующим линиям низковольтной трехфазной 4-проводной сети переменного тока (рис.1). В сетях напряжения выше 0,4 кВ дополнительно используются измерительные трансформаторы напряжения, к которым подсоединяются параллельные цепи счетчиков.

Гарантируемая точность измерений в реальных условиях применения указанных средств определяется пределом допускаемой относительной погрешности измерительного комплекса - счетчика совместно с тремя ТТ. Составляющими этой погрешности являются систематические и случайные основные токовые и угловые погрешности ТТ и счетчика, а также их дополнительные погрешности, обусловленные действием различных влияющих факторов. Графики зависимости модуля максимальной относительной погрешности δ измерительных комплексов в зависимости от отношения действительного первичного тока к номинальному (I1/I1н) для счетчиков и ТТ соответствующих классов точности приведены на рис.2. Составляющие погрешности рассчитаны исходя из фактических условий применения и с учетом влияющих величин (изменение напряжения - 5%; изменение температуры -5Со, изменение частоты -1%, cosφ=0,8). При изменении в процессе эксплуатации точностных характеристик счетчиков и ТТ погрешность может возрасти до 10-15% (отрицательная погрешность индукционного счетчика ежегодно увеличивается на 1-1,5%).

Рис.2. Графики модуля предельной относительной погрешности измерительных комплексов "Счетчик - ТТ"

В условиях спада и значительных колебаний нагрузки потребителей рассмотренный учет отличается большой погрешностью, что в целом приводит к приборному недоучету электроэнергии и росту коммерческих потерь. В районах электрических сетей (РЭС) часто фиксируются небалансы в двадцать и более процентов по электроэнергии, полученной на подстанциях РЭСа по стороне высшего напряжения, и электроэнергии, отданной потребителям по стороне низшего напряжения. Иногда складывается парадоксальная ситуация, при которой потребитель потребляет электроэнергию, у него работают маломощные электроустановки и освещение, а счетчики энергосистемы фиксируют нулевое потребление. По различным оценкам, доля коммерческих потерь электроэнергии, которая определяется приборным недоучетом (погрешностями измерительных средств, их неправильными выбором и эксплуатацией), достигает 25-30% всех коммерческих потерь.

Выход из сложившегося положения заключается, с одной стороны, в замене малочувствительных и неточных индукционных счетчиков электронными и замене ТТ класса 0,5 (обеспечивают пределы допускаемых погрешностей в диапазонах изменения первичного тока I1 в процентах от первичного номинального тока I1н: токовую погрешность 0,5% при 100-120% I1н, 0,75% при 20-100% I1н и 1,5% при 5-20 I1н; при токе, меньшем 5% I1н погрешность не нормируется) на ТТ класса 0,5S, которые обеспечивают более низкие пределы допускаемых погрешностей в большем диапазоне изменения первичного тока (токовая погрешность составляет 0,5% при 20-120% I1н , 0,75% при 5-20% I1н и 1,5% при 1-5% I1н), а, с другой стороны, в правильном выборе моделей ТТ и их грамотной эксплуатации.

Проблема выбора моделей ТТ

На рынке средств измерения и учета электроэнергии обычно представлены десятки разных моделей ТТ, внесенных в Госреестр средств измерений, и предлагаемые различными изготовителями или их представителями (см.фото – пример низковольтного однофазного ТТ типа Т-0,66-1-УЗ класса 0,5S).

Все эти изделия, а они должны в первую очередь соответствовать межгосударственному стандарту ГОСТ 7746-2001 “Трансформаторы тока. Общие технические условия”, во многом близки по своим декларируемым техническим характеристикам, но фактически, как показывают испытания и опыт эксплуатации, не равноценны в долговременной перспективе для экономичного, достоверного и точного учета электроэнергии в энергосистемах и у потребителей. В рекламной и технической документации практически всех изготовителей отсутствуют многие сведения и характеристики ТТ, которые интересны квалифицированному пользователю и могли бы существенно повлиять на выбор ТТ при их закупке для нужд энергосистемы и потребителей.

К таким дополнительным сведениям, в частности, относятся:

а) графики токовых и угловых погрешностей ТТ при различных значениях первичных токов и нагрузках вторичной цепи (они демонстрируют для ТТ, во-первых, технологический запас по классу точности, во-вторых, тип погрешности – систематический или случайный, положительный или отрицательный, в-третьих, тенденции изменения погрешностей);

б) графики токовых и угловых погрешностей ТТ с учетом влияющих эксплуатационных факторов - намагничивания постоянным током, действия повышенной температуры внешней среды, вибрации, времени эксплуатации (одни из этих факторов могут способствовать хищению электроэнергии, а другие влияют на метрологические характеристики ТТ в длительной перспективе);

в) потери электроэнергии в обмотках ТТ и в сердечнике на вихревые токи и перемагничивание (позволяют рассчитать суммарные технические потери электроэнергии на приборный учет по энергосистеме в целом);

При выборе моделей ТТ для массового использования в энергосистеме, когда счет изделий идет на тысячи и десятки тысяч штук, причем все приобретаемые ТТ должны определять достоверный и точный учет в течение десятилетий, остро стоит вопрос как о доверии к декларируемым характеристикам различных моделей ТТ, так и об их скрытых качествах, которые могут выявиться только в процессе испытаний или длительной эксплуатации. В этих условиях решение можно и должно принять только после проведения независимых испытаний предлагаемых образцов ТТ. Именно такой путь принят в Объединенной энергосистеме Республики Беларусь: по заданию концерна “Белэнерго” была проведена совместно РУП “БЕЛТЭИ” и аккредитованным испытательным центром филиала ПСДТУ РУП “Гродноэнерго” работа по независимым испытаниям ряда образцов ТТ отечественных и зарубежных изготовителей. В дальнейшем такая работа будет проводиться постоянно.

Испытания ТТ

Испытания проводились согласно утвержденной программе испытаний для каждого представленного образца ТТ (всего 25 образцов четырех изготовителей из четырех стран) по четырем пунктам:

а) определение токовых и угловых погрешностей в рабочих условиях применения во всем диапазоне изменения первичного тока (1; 5;20;100;120) % I1н;

б) определение токовых и угловых погрешностей при изменении полной мощности нагрузки вторичной цепи S2 в диапазоне (25;50;75;100) % от номинальной мощности S2н при cos =0,8 и при S2=0;

в) определение токовых и угловых погрешностей после разового намагничивания сердечника постоянным током через обмотку ТТ;

г) проверка требований к конструкции ТТ (по монтажу, защите от несанкционированного доступа, маркировке и типу сердечника – всего 12 позиций).

Цель испытаний – определение соответствия декларируемых изготовителем характеристик ТТ фактическим характеристикам отобранных образцов и определение зависимости метрологических характеристик образцов от воздействующих факторов, вероятных в процессе эксплуатации (в частности, от намагничивания постоянным током).

На испытания были представлены следующие образцы ТТ:

а) TAL-0,72 N3 литовской фирмы ЗАО “Elfita” с номинальными коэффициентами трансформации Кн=I1н/I2н=I1н/5А - 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 600/5 – всего 8 образцов;

б) Т- 0,66 УЗ украинской фирмы ЗА0 “Завод измерительных приборов “Днеста” номиналов 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5, 500/5, 600/5 – всего 9 образцов;

в) Т- 0,66 УЗ российской фирмы ОАО “Самарский трансформатор” номинала 300/5 – один образец;

г) Т- 0,66 УЗ белорусского предприятия РУП “Минский электротехнический завод им. Козлова” номиналов 50/5, 75/5, 100/5, 150/5, 200/5, 300/5, 400/5 – всего 7 образцов.

Сравнительные конструктивные параметры ТТ представлены в Приложении 1 в таблице 3, а характерные цифровые данные (в табличном виде) и соответствующие им графики токовых и угловых погрешностей ТТ, полученные в процессе испытаний, приведены там же на рисунках. В Приложении 2 приведена основная “Магнитная терминология”.

Результаты испытаний:

а) TAL-0,72 N3 (Литва) - образцы соответствуют требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током погрешность, как токовая, так и угловая (в первую очередь токовая), возрастает в 1,2…2,5 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в диапазоне первичного тока I1 от 1% до (15-50)% I1н для всех образцов (конкретная величина превышения погрешности зависит от образца ТТ);

б) Т- 0,66 УЗ (Украина) - все образцы соответствуют требованиям ГОСТа и устойчивы к намагничиванию постоянным током;

в) Т- 0,66 УЗ (Россия) - образец соответствуют требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током токовая погрешность возрастает в 2 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в области первичного тока I1 от 1% до 8% I1н ;

г) Т- 0,66 УЗ (Беларусь) - образцы соответствуют требованиям ГОСТа при отсутствии влияющих факторов, но при разовом намагничивании постоянным током погрешность возрастает в 2…2,5 раза сверх допустимой в отрицательную сторону в области первичного тока I1 от 1% до (5-15)% I1н для всех образцов, хотя величина превышения погрешности зависит от конкретного образца ТТ.

Таким образом, главный вывод по результатам испытаний - все представленные на испытания образцы ТТ соответствуют требованиям ГОСТ 7746-2001 при отсутствии влияющих факторов. Только ТТ ЗАО “Днеста” устойчивы к влияющему фактору намагничивания сердечника постоянным током, который в условиях эксплуатации может служить фактором хищения электроэнергии, поскольку он увеличивает в 2-2,5 раза отрицательную токовую погрешность ИТТ в области нагрузки потребителя, меньшей 50% от номинальной. Следует отметить, что устойчивость ТТ ЗАО “Днеста” к намагничиванию постоянным током вытекает из свойств материала их сердечников – нанокристаллического сплава. Сердечники всех других представленных на испытания ТТ изготовлены из обычной магнитомягкой электротехнической кремнистой стали - сплава железа с кремнием (Si < 4,8%).

Особенности и характеристики нанокристаллических сплавов как основы современных магнитопроводов для ТТ

В трансформаторах ЗАО “Днеста” (производство ТТ осуществляется с 2001 г.) использован сердечник, свитый под натягом из ленты толщиной 20 мкм, выполненной из нанокристаллического сплава семейства “FINEMET” системы элементов Fe-B (такие сплавы начали применяться в конце 80-х гг. прошлого столетия в электротехнической промышленности США и Японии, а в начале 90-х годов их производство освоено в России на Урале и на Украине). Иногда такие сплавы называют аморфными, или металлическими стеклами.

Эти быстрозакаленные ферромагнитные сплавы на основе железа (73,5%), кремния (13,5%), бора (9%), ниобия (3%) и меди (1%) получают путем разлива расплава на поверхность вращающегося с большой скоростью валка-холодильника. При высокой скорости охлаждения (до 1 миллиона градусов в секунду) в сплаве толщиной 0,025-0,03 мм резко замедляется тепловое движение атомов, они теряют способность менять своих соседей и формировать крупнокристаллическую решетку - кристаллы и соответствующие им домены не успевают вырасти – сплав приобретает аморфный, нанокристаллический характер, при котором размеры кристаллов и доменов в тысячи раз меньше обычных. В настоящее время получены десятки различных сплавов в аморфном состоянии, причем у некоторых из них процесс кристаллизации удается подавить при существенно меньших скоростях охлаждения (тысячи и даже сотни градусов в секунду).

Нанокристаллические сплавы, подобно пермаллоям лучших марок (например, суперпермаллою) - сплавам железа с никелем, характеризуются высокой магнитной проницаемостью в слабых полях (начальная н=40000...50000 и максимальная max до 600000, сравните с магнитной проницаемостью электротехнической стали - соответственно 400 и 8000), причем их магнитные характеристики более стойки и стабильны; высокой магнитной индукцией насыщения (Bs=1,2…1,3 Тл при Н=800 А/м); низкой коэрцитивной силой (Нс <2,5 А/м, для сравнения у электротехнической стали Нс=65-100 А/м), т.е. очень узкой петлей гистерезиса; высоким удельным электрическим сопротивлением (1,6 мкОм∙м - в 2,5 раза выше, чем у электротехнической стали, в связи с чем отпадает необходимость в изоляции слоев сердечника лаком - для этого достаточно оксидной пленки) и, соответственно, малыми потерями на вихревые токи (менее 5Вт/кг при f=20 кГц); близкой к нулю магнитострикцией, устойчивостью к магнитному старению - сохраняют свои магнитные свойства при нормальной температуре не менее 100 лет, а при температуре + 500С – не менее 50 лет (заметим, что периодические, в процессе эксплуатации проверки ТТ на сердечниках из электротехнической стали приводят к браковке, по различным источникам, от 20 до 80% ТТ из-за ухода их метрологических характеристик в связи со старением сердечников). В зависимости от типа термообработки после закалки они могут обладать прямоугольной (коэффициент прямоугольности Br/Bs=0,2…0,9), линейной или округлой петлей гистерезиса. Температура точки Кюри для них 5700С (для нанокристаллического сплава типа 5БДСР, содержащего дополнительно кобальт, молибден и хром, точка Кюри 3500С), а максимальная температура длительного применения составляет 240 0С.

В лентах аморфных сплавов отсутствует кристаллическая магнитная анизотропия, но сохраняется наведенная магнитная анизотропия, что позволяет формировать магнитную структуру после отжига и охлаждения в магнитном поле в любом направлении ленты и тем самым получать магнитопроводы с заданными магнитными свойствами. Магнитные вихретоковые потери в таких магнитопроводах в 4-10 раз меньше, чем в сердечниках из электротехнической стали. За счет высоких магнитных свойств сердечников удается снизить их габариты и, соответственно, затраты провода на вторичную обмотку, что дополнительно уменьшает электрические потери в меди.

Эти магнитопроводы позволяют достичь высокой линейности кривой намагниченности в диапазоне 1-120% первичного номинального тока ТТ и 0-100% номинальной вторичной нагрузки.

Качественная связь между погрешностями ТТ и свойствами их магнитопроводов

Нормальным режимом работы ТТ является режим короткого замыкания (КЗ) его вторичной цепи (например, для ТТ с номинальной мощностью вторичной нагрузки S2н=5 ВА и номинальным вторичным током I2н=5А, максимальная внешняя нагрузка во вторичной цепи не должна превышать номинальную: Z2max < Z2н=S2н/I2н= 5/52=0,2 Ом). Максимальная нагрузка вторичной цепи Z2max равна сумме сопротивлений проводов Z2пр (в режиме КЗ нельзя пренебрегать сопротивлением проводов) и сопротивления Z2ИП последовательных цепей подключаемых к ТТ измерительных приборов: Z2max= Z2пр +Z2ИП. В этом режиме по вторичной цепи ТТ проходит индуцированный ток I2, который своей магнитодвижущей силой создает в магнитопроводе вторичный поток магнитной индукции Ф2, направленный по закону электромагнитной индукции встречно потоку магнитной индукции Ф1, генерируемого магнитодвижущей силой тока первичной цепи I1(рис.3).

В результате в сердечнике в стационарном режиме устанавливается сравнительно слабый суммарный номинальный поток магнитной индукции Ф0=Ф1-Ф2 (он составляет 2-3% от Ф1), который индуцирует во вторичной обмотке небольшую ЭДС (не более 1 В), поддерживающую ток во вторичной цепи в диапазоне (0-100)% от номинального тока I2н пропорциональный значению тока первичной цепи I1= (1-100)% I1н. Ток первичной цепи не зависит от нагрузки вторичной цепи и может изменяться от нуля до номинального, а в случае короткого замыкания в первичной цепи (Z1=0) превосходить номинальный в десятки раз. В этом случае безопасность вторичных цепей и их нагрузок обеспечивается за счет вхождения сердечника ТТ в насыщение - при этом допустимая перегрузка определяется коэффициентом безопасности ТТ, равным обычно 2-3.

 

Если вторичную цепь ТТ разомкнуть (аварийный режим), то исчезновение вторичного тока I2 и созданного им магнитного потока Ф2 приведет к значительному возрастанию магнитного потока Ф0=Ф1 от магнитодвижущей силы тока первичной цепи и , соответственно, увеличению ЭДС во вторичной обмотке (до нескольких киловольт), что может вызвать пробой изоляции и опасность поражения током для обслуживающего персонала. Кроме того, при большом магнитном потоке, существенно отличающемся от номинального, резко увеличиваются потери в сердечнике, трансформатор начинает вибрировать (гудеть) и нагреваться, что является, в частности, одной из причин раннего старения его магнитопровода. Поэтому при эксплуатации нельзя допускать разрыва вторичной цепи ТТ при наличии нагрузки у абонента (Z10), а при необходимости замены счетчика, подключенного к ТТ, вторичную обмотку ТТ предварительно необходимо закоротить (современные ТТ содержат для этого во вторичной цепи спаренные клеммы).

Из теории работы ТТ следует, что его погрешности (токовая погрешность, или погрешность действительного коэффициента трансформации, и угловая погрешность - разность фаз между токами первичной и вторичной цепи) определяются двумя факторами: ограниченной магнитной проницаемостью магнитопровода и конечным, ненулевым значением величины вторичной нагрузки. Если бы магнитная проницаемость сердечника была бы бесконечной (что означало бы, что его магнитное сопротивление равно нулю), или вторичная нагрузка нулевой (режим полного короткого замыкания), то погрешности были бы нулевые. На практике не выполняются оба условия.

Вместе с тем погрешности ТТ тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, т.е. больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также чем меньше его вторичная нагрузка. Важно учитывать, что магнитная проницаемость ферромагнитного материала, вообще говоря, зависит от напряженности магнитного поля (в зависимости от ее величины можно говорить о слабых, средних и сильных полях) и график этой зависимости имеет колоколообразный вид: с малым значением н в малых полях, максимальным значением max в средних полях и опять же минимальным значением в сильных полях. Поскольку ТТ работают в установившемся режиме в малых полях, то для них существенно использование материала не только с большой максимальной магнитной проницаемостью, но и высокой начальной магнитной проницаемостью.

Эти качества сполна обеспечивают нанокристаллические сплавы. Именно высокой начальной магнитной проницаемостью, линейностью характеристик намагничивания и узкой петлей гистерезиса объясняется устойчивость метрологических характеристик ТТ с магнитопроводами из нанокристаллических сплавов к намагничиванию постоянным током: полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит у них уже при малой напряженности магнитного поля и значениях первичного тока 1-2% I1н. Для сердечников же из электротехнической стали этого добиться тяжело даже за счет увеличения сечения магнитопровода. В целом нанокристаллические сердечники характеризуются меньшей материалоемкостью, габаритами и весом по сравнению с сердечниками из электротехнической стали для аналогичных по номенклатуре ТТ.

Требования к монтажу и эксплуатации вторичных цепей ТТ

Из вышеизложенного следует важность снижения вторичной нагрузки ТТ для обеспечения его штатных метрологических характеристик. Для многих моделей низковольтных ТТ номинальная вторичная нагрузка равна 5 ВА, или 0,2 Ом (при номинальном токе 5А). Это означает, во-первых, что во вторичную цепь можно включать только нагрузку (последовательные цепи счетчика, ваттметра, фазометра, амперметры), согласованную с нагрузкой ТТ (Z2ИП < Z2н), и, во-вторых, что соединительные провода от клемм вторичной цепи ТТ до клемм измерительных приборов должны иметь минимальное сопротивление (чем меньше, тем лучше), т.е. ограниченную длину l (м), большое сечение S (мм2), где S=d2/4 для круглого провода диаметром d, и выполняться не алюминиевыми (удельное сопротивление 0,027 Ом∙мм2/м), а медными проводами (удельное сопротивление 0,0175 Ом∙мм2/м - в 1,5 раза меньше). Сопротивление проводов может быть просчитано по формуле R=2l/S и должно быть указано в паспорте точки коммерческого учета.

Ниже в табл.1 справочно приводятся значения сопротивлений пар медных проводов в зависимости от сечения провода S (мм2) и расстояния l (м) от ТТ до клемм токовых цепей счетчика. В случае использования вместо медных проводов алюминиевых аналогичного сечения приведенные в таблице величины следует увеличить в полтора раза. При номинальном вторичном токе I2н=5А мощность потерь электроэнергии в проводах (P=I22н R) согласно таблице находится в диапазоне от 0,25ВА (при R=0,01 Ом) до 22 ВА (при 0,88 Ом).

Таблица 1. Справочные данные сопротивлений линий связи от ТТ к счетчику

l/ S (d мм)	1 мм2 (1,13)	1,5мм2 (1,38)	2 мм2 1,6)	2,5 мм2 (1.78)	4 мм2 (2,26)	6 мм2 2,76)	10 мм2 (3,57)	16 мм2 (4,5)
5м	0,18 Ом	0,12	0,09	0,07	0,05	0,03	0,02	0,01
10 м	0,35	0,23	0,18	0,14	0,09	0,06	0,04	0,02
15 м	0,53	0,35	0,27	0,21	0,13	0,09	0,05	0,03
20 м	0,7	0,47	0,35	0,28	0,18	0,12	0,07	0,04
25 м	0,88	0,59	0,44	0,35	0,22	0,15	0,09	0,06 Ом

 При использовании ТТ совместно с трехфазными индукционными электросчетчиками с номинальным вторичным током 5А (или 1А) потребляемая полная мощность в каждой токовой цепи при номинальных токе и частоте не должна превышать, согласно ГОСТ 6570-75 "Счетчики электрические активной и реактивной энергии индукционные. Общие технические условия" значений, приведенных в табл. 2 (в скобках указана номинальная нагрузка при I2н=5А).

Таблица 2. Потребляемая мощность токовой цепи индукционных счетчиков

Вид счетчика	Потребляемая мощность, не более ВА, (в зависимости от класса точности)
	0,5	1,0	1,5	2,0
Активной энергии	4,0 (R=0,16 Ом)	1,2 (R=0,05 Ом)	-	0,6 (R=0,024 Ом)
Реактивной энергии	-	-	2,3 (R=0,09 Ом)	1,0 (R=0,04 Ом)

Для электронных счетчиков класса 0,2S и 0,5S (ГОСТ 30206-94) полная потребляемая мощность каждой цепью тока при номинальном токе не должна превышать 1 ВА, а для электронных счетчиков класса 1 и 2 (ГОСТ 30207-94) - соответственно 4 и 2,5 ВА. В действительности у современных электронных счетчиков полная потребляемая мощность цепью тока не превышает 0,1-0,5 ВА, т.е. в 4-10 раз меньше, чем у индукционных. Поэтому замена индукционных счетчиков электронными во всех случаях улучшает режим работы ТТ. Кроме того, следует иметь ввиду, что если ко вторичной цепи одного и того же ТТ при использовании индукционных счетчиков нередко подключаются последовательно несколько токовых обмоток, например, токовые обмотки счетчиков приема активной и реактивной энергии, то при использовании электронного счетчика, измеряющего одновременно активную и реактивную энергию к ТТ подключается только одна токовая цепь, что также снижает вторичную нагрузку на ТТ и улучшает его режим работы. Для повышения точности учета с применением ТТ следует правильно выбирать их номиналы по первичному току: номинальный ток должен соответствовать (70-80)% максимального рабочего тока I1н(0,7-0,8) I1max (такой выбор предупреждает увеличение погрешности на максимальных первичных токах в случае перегрузки вторичной цепи ТТ) .

С переходом в коммерческом учете на использование электронных счетчиков снижаются требования к номинальной нагрузке ТТ: ее можно ограничить величиной 5 ВА (у ТТ для учета с индукционными счетчиками она составляла 10-20 ВА и более), что в конечном итоге пропорционально снижает технические потери электроэнергии на приборный учет. Это имеет особенное значение в связи с тем, что КПД ТТ (отношение активной мощности, отбираемой со вторичной обмотки трансформатора, к активной мощности, подводимой к первичной обмотке), по сравнению с КПД трансформаторов напряжения, низок из-за потерь в меди и магнитопроводе: КПД не достигает и 50% при номинальных токах. Нетрудно вычислить, что если в энергосистеме установлено 100 тыс. шт. ТТ, то экономия мощности на каждом только в 10 Вт даст суммарную экономию в 1 МВт, а годовая экономия электроэнергии составит 8760 МВт.ч, или около 350 тыс. долл. (из расчета 0,04 долл. за 1 кВт.ч).

В том случае, если по условиям эксплуатации необходимо разместить счетчики вдалеке от ТТ (например, в 25 метрах или далее), необходимо либо использовать ТТ с повышенной мощностью номинальной нагрузки, либо при той же мощности с номинальным током 1А (при этом допустимое максимальное внешнее сопротивление вторичной цепи увеличивается в 25 раз). В последнем случае необходимо соответственно применять и счетчики на номинальный ток не 5А, а 1А.

В заключение необходимо отметить, что высокие магнитные качества сердечников ТТ из нанокристаллических сплавов делают эти трансформаторы чувствительными по метрологическим характеристикам к повышению нагрузки (увеличению сопротивления нагрузки) во вторичной цепи ТТ сверх номинальной при максимальном первичном токе, что требует на практике жесткого выполнению всех вышеуказанных противоперегрузочных требований. Перегрузочные способности таких ТТ могут быть повышены за счет умощнения сердечников, что не всегда экономически оправдано для изготовителя, поскольку сердечники из нанокристаллических сплавов в 1,5-2 раза дороже сердечников из электротехнической стали.

Выводы

ТТ на сердечниках из нанокристаллических сплавов имеют перед ТТ на сердечниках из электротехнической стали следующие преимущества:

1) устойчивость метрологических характеристик к намагничиванию постоянным током;

2) уменьшенные в 4-10 раз потери на вихревые токи и перемагничивание сердечника;

3) повышенный (двойной) технологический запас по классу точности;

4) более длительный срок службы с сохранением метрологических характеристик (и, тем самым, потенциально больший межповерочный интервал);

5) меньшие затраты материала на сердечник и медь, меньшие габариты, вес сердечника и вес ТТ в целом.

Указанные преимущества ТТ с нанокристаллическими сердечниками делают их более устойчивыми к хищениям электроэнергии (при нагрузках потребителя менее 50% номинальной) и росту коммерческих потерь, снижают технологические потери электроэнергии и эксплуатационные затраты.

В Объединенной энергосистеме Республики Беларусь предусматривается в рамках процесса замены ТТ класса 0,5 на ТТ класса 0,5S и в соответствии с научно-техническим прогрессов замена низковольтных ТТ на сердечниках из электротехнической стали на ТТ с сердечниками из нанокристаллических сплавов.

Справка

Статья опубликована ы журналах:

Новости Электротехники, №1, №2, 2004 (Россия)

Энергетика и ТЭК, №6, 2004 (Беларусь)

Электрические сети и системы, №3,2 004 (Украина)

Электрические станции, № 7, 2004 (Россия)

Промышленная энергетика, № 11, 2004 (Россия)

Приложение 1

Таблицы данных и графики токовых и угловых погрешностей,

полученные при испытании 4-х образцов низковольтных

однофазных ТТ от четырех изготовителей.

Таблица 3 – конструктивные характеристики ТТ

 

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания
Зависимость токовой погрешности от нагрузки и намагничивания		Зависимость угловой погрешности от нагрузки и намагничивания

 Таблица 3. Конструктивные характеристики низковольтных ТТ класса 0,5S

№ п/п	Требования к конструкции трансформаторов тока
		TAL-0.72N3 ЗАО “Elfita”	T-0.66У3 (Днеста)	T-0.66У3 (Самара)	T-0.66У3 (МЭТЗ)
	Защита от несанкционированного потребления электроэнергии
1.1	Наличие возможности установки пломбы госповерителя и производителя, исключающей замену таблички с данными.	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется
1.2	Наличие прозрачной крышки, защищающей зажимы вторичной обмотки и табличку с данными.	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется
1.3	Наличие возможности установки пломбы энергоснабжающей организации, исключающей доступ к зажимам вторичной обмотки и табличке с данными после монтажа.	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется
1.4	Наличие защиты контакта подключения цепи напряжения счетчика.	Имеется	Нет	Нет	Нет
	Монтаж
2.1	Наличие двойных контактов вторичной обмотки	Имеется	Имеется	Имеется	Нет
2.2	Исключение доступа к неиспользуемым контактам вторичной обмотки	Защита предусмотрена	Защита предусмотрена	Защита предусмотрена	-
2.3	Возможность монтажа проводом: медным сечением 2,5 мм2 ; алюминиевым сечением 4 мм2	Имеется	Имеется	Имеется	Имеется
2.4	Возможность монтажа к медным и алюминиевым шинам	Контакты имеют никелевое покрытие, обеспечивается возможность монтажа к медным и алюминиевым шинам.	Контакты имеют никелевое покрытие, обеспечивается возможность монтажа медными и алюминиевыми проводами.	Шина алюминиевая	Шина алюминиевая
2.5	Возможность установки на DIN – рейку	Нет	Имеется	Нет	Нет
	Маркировка
3.1	Соответствие нанесенных данных требованиям ГОСТ 7746-2001	Выводы первичной обмотки маркируются P1, P2, вторичной обмотки S1,S2. Должно быть соответственно Л1, Л2, И1, И2. Остальное соответствует.	Соответствует.	Соответствует.	Соответствует.
3.2	Способ нанесения маркировки (обеспечение четкости надписей в течение срока эксплуатации – 25 лет)	Металлическая табличка, номинал ТТ отлит на корпусе	Табличка из пленки ПВХ	Табличка из пленки ПВХ, номинал ТТ отлит на корпусе	Табличка из пленки ПВХ,
	Особенности конструкции
4.1	Тип сердечника: - нанокристаллический сплав - электротехническая сталь	Электротехническая сталь	Нанокристаллический сплав	Электротехническая сталь	Электротехническая сталь

Приложение 2

“Магнитная терминология”

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, передающий электроэнергию из одной цепи в другую посредством электромагнитной индукции и предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока других параметров, в частности, для преобразования значений напряжения и тока. Различают трансформаторы силовые и специальные, однофазные и трехфазные, двухобмоточные и многообмоточные и другие.

Измерительный трансформатор тока (ТТ) - специальный трансформатор, предназначенный для измерения больших переменных токов путем преобразования их в меньшие токи с передачей сигнала измерительной информации измерительным приборам (амперметрам, счетчикам, фазометрам, ваттметрам).

Магнитное поле - силовое поле, или состояние материальной среды, обусловленное движущимися электрическими зарядами (токами) и действующее на токи и на тела, обладающие вследствие внутренних микроскопических токов магнитным моментом. Является средством описания с помощью силовых линий и вектора магнитной индукции В взаимодействия токов.

Магнетики - любые материалы, рассматриваемые с точки зрения их магнитных свойств, обусловленных реакцией материала на магнитное поле. По отношению к магнитному полю магнетики можно разделить на 3 класса - диамагнетики (<1), парамагнетики (>1) и ферримагнетики (>>1).

Ферромагнетики - вещества, подкласс ферримагнетиков, имеющие магнитную проницаемость >>1, которая создается спонтанной намагниченностью доменов (кристаллических областей вещества, в которых магнитные моменты атомов направлены параллельно друг другу), хаотически ориентированных в пространстве материала в отсутствии внешнего магнитного поля и приобретающие общую ориентацию в направлении поля при его появлении .

Магнитомягкие ферромагнитные материалы - материалы с коэрцитивной силой Hc < 8-800 А/м (противоположные - магнитотвердые с Hc >(1-4) кА/м - применяются в качестве постоянных магнитов), используются в качестве магнитопроводов в трансформаторах и электрических машинах.

Намагниченность (J[А/м]) - характеристика магнитного состояния макроскопического тела или среды, обусловленная совместной ориентацией магнитных моментов ее атомов (доменов) и определяющая вклад среды в магнитную индукцию: 0J=В-0Н. Намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля Н: J=∙Н, где - магнитная восприимчивость вещества, = +1.

Намагниченность насыщения (Js) - максимальная намагниченность, достигаемая в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля и дальнейшее увеличение его напряженности не изменяет магнитного состояния магнетика.

Магнитная индукция (B [1Тл=1Вб/м2]) - характеристика магнитного поля в среде - среднее значение суммарной напряженности микроскопических магнитных полей атомов магнетика и внешнего магнитного поля: B=0H=aH= 0(H+J).

Напряженность магнитного поля (Н [А/м])- векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле вне зависимости от магнитных свойств среды и совпадающая в вакууме с магнитной индукцией: Н=В/0. В среде Н определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дает внешний источник поля.

Магнитная проницаемость - физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды при воздействии магнитного поля Н. Относительная магнитная проницаемость () - отношение магнитной индукции в магнетике к напряженности внешнего магнитного поля, вызывающему намагничивание магнетика. Магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума - 0=1 (система СИ) и 0=410-7 Гн/м (система СГС). Абсолютная магнитная проницаемость - а =0. Начальная магнитная проницаемость (н)- значение при малой напряженности поля. Максимальная магнитная проницаемость (max) - максимальное значение, достигаемое обычно в средних магнитных полях.

Магнитодвижущая сила (МДС, F [А]) - сила внешнего магнитного поля, порождающая поток магнитной индукции в магнетике (для катушки, или обмотки, равна произведению силы тока на количество витков F=I∙w).

Магнитный поток, или поток магнитной индукции (Ф [Вб]) - произведение вектора магнитной индукции на площадь поверхности, к которой этот вектор нормален Ф=В∙S.

Магнитное сопротивление (Rm[1/(Гн∙м)])- отношение значения МДС к значению магнитного потока, вызванному этой МДС Rm= F/Ф.

Магнитная цепь - последовательность магнетиков, по которым проходит магнитный поток.

Коэрцитивная сила (Hc) -напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается в магнетике нулевая индукция.

Петля гистерезиса - зависимость в ферромагнетике индукции от напряженности Н магнитного поля (кривая намагниченности) при изменении поля по циклу: увеличение модуля Н в прямом направлении до фиксированного уровня Нф - уменьшение модуля Н до нуля с переходом через нуль в обратном направлении - увеличение модуля Н до прежнего уровня Нф, но с обратным знаком - уменьшение модуля Н до нуля с переходом через нуль в прямом направлении и т.п. Гистерезис - это несовпадение значений В при одном и том же значении Н, но в зависимости от предыстории изменения Н, например, при увеличении Н до Нф и последующем уменьшении с Нф до Н.

Максимальная петля гистерезиса - петля, достигающая максимальной индукции насыщения Bs при Нф =Hmax.

Остаточная индукция (Br)- индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля.

Индукция насыщения (Bs) - максимальное значение индукции в ферромагнетике, соответствующее намагниченности насыщения.

Потери в обмотках (потери в меди) - потери электроэнергии на сопротивлении проводников обмоток и их нагревании.

Потери на перемагничивание - магнитная энергия, переходящая в тепло при каждом цикле перемагничивания (пропорциональна площади петли гистерезиса). Уменьшение потерь происходит при уменьшении коэрцитивной силы.

Потери на вихревые токи - потери магнитной энергии на создание вихревых токов в магнитном материале, пропорциональны второй степени частоты напряженности магнитного поля. Уменьшение материалов с повышенным удельным электрическим сопротивлением и набор магнитопровода из изолированных пластин (ЭДС самоиндукции пропорциональна площади поперечного сечения контура; мощность потерь пропорциональна квадрату ЭДС и обратно пропорциональна удельному сопротивлению).

Точка Кюри - температура, при которой ферромагнетик теряет вследствие усиливающегося теплового движения атомов свои магнитные свойства - происходит разрушение доменов.