Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
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 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.
В работе [1] приведены таблицы и графики токовых и угловых погрешностей разных ТТ при 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.
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)