Трансформаторы для учета электроэнергии
Трансформаторы для учета электроэнергии: классификация, принципы выбора и эксплуатации
Трансформаторы для учета электроэнергии (ТУ) являются ключевыми элементами систем коммерческого и технического учета в электрических сетях от 0,4 кВ и выше. Их основная функция – преобразование первичных токов и напряжений до стандартных, безопасных и удобных для измерения величин, с последующей передачей этих сигналов на счетчики электроэнергии. Точность и надежность учета напрямую зависят от правильного выбора, монтажа и эксплуатации измерительных трансформаторов. Данная статья рассматривает классификацию, технические характеристики, нормативные требования и практические аспекты применения ТУ.
1. Классификация и типы трансформаторов для учета
Трансформаторы для учета подразделяются по виду преобразуемой величины и конструктивному исполнению.
1.1. Измерительные трансформаторы тока (ТТ)
Предназначены для преобразования первичного тока в пропорционально уменьшенный вторичный ток, стандартизированный для измерительных приборов. Основные типы:
- Проходные: Устанавливаются в проем (окно) шины или кабеля. Не имеют первичной обмотки как таковой, ее роль выполняет токоведущий проводник. Широко применяются в КРУ, на шинах и в кабельных отводах.
- Опорные: Имеют собственную изолированную первичную обмотку, монтируются на опорную плоскость. Применяются при сложной конфигурации первичных цепей или необходимости нескольких коэффициентов трансформации.
- Шинные: Разновидность проходных, где роль первичной обмотки выполняет шина распределительного устройства, проходящая через окно трансформатора.
- Тороидальные (с разъемным магнитопроводом): Позволяют установку без разрыва токоведущего проводника, что критически важно для модернизации действующих установок.
- Заземляемые (однофазные): Обмотка высшего напряжения (ВН) имеет вывод, предназначенный для заземления. Типы НОМ, НОЛ, ЗНОЛ.
- Незаземляемые (двухобмоточные): Обмотки ВН изолированы от земли. Тип НТМИ.
- Каскадные: Применяются для высоких напряжений (110 кВ и выше), где конструкция с одним магнитопроводом становится громоздкой.
- Емкостные (ТНК): Используют емкостный делитель, применяются в сетях 110-1150 кВ.
- Номинальное первичное (I1н) и вторичное (I2н) напряжение: I2н обычно равно 5 А или 1 А.
- Номинальный коэффициент трансформации (Kн): Kн = I1н / I2н.
- Класс точности: Определяет допустимую погрешность в процентах при заданных условиях. Для коммерческого учета используется класс 0,5S или 0,2S. Класс «S» обеспечивает высокую точность при низких нагрузках (1-5% от I1н).
- Номинальная нагрузка (S2н) в ВА и вторичная нагрузка (Z2н) в Омах: Фактическая нагрузка вторичной цепи (провода, счетчики, реле) не должна превышать S2н.
- Предельная кратность (коэффициент безопасности приборов — FS): Характеризует способность ТТ ограничивать погрешность при токах короткого замыкания для защиты приборов.
- Ток термической стойкости (Iтерм) и электродинамической стойкости (Iдин): Параметры, определяющие стойкость к сквозным токам КЗ.
- Номинальное первичное (U1н) и вторичное (U2н) напряжение: U2н обычно равно 100 В (57.7 В для фазного напряжения в сетях с заземленной нейтралью).
- Номинальный коэффициент трансформации (Kн): Kн = U1н / U2н.
- Класс точности: Определяет допустимую погрешность по напряжению и углу. Для учета – класс 0.5 или 0.2.
- Номинальная мощность в заданном классе точности: Нагрузка вторичной цепи не должна превышать указанную мощность для сохранения заявленного класса точности.
- Схема соединения обмоток: Звезда/звезда, звезда/треугольник и др., в зависимости от схемы сети и требований учета.
- По номинальному напряжению: Uн ТТ ≥ Uн установки.
- По номинальному первичному току: I1н выбирается по длительному рабочему току нагрузки (Iраб) с учетом его роста. Рекомендуется: I1н ≥ Iраб, но при этом рабочий ток должен составлять 40-60% от I1н для оптимальной точности. При сезонной или переменной нагрузке допустимо снижение до 20-30%.
- По классу точности: Для коммерческого учета – 0,5S или 0,2S. Обмотки для учета должны быть отделены от обмоток для защиты.
- По вторичной нагрузке (Z2): Расчетное сопротивление вторичной цепи (Z2расч = Zпр + Zприб + Zконт) должно быть меньше или равно номинальной нагрузке (Z2н) для выбранного класса точности. Сопротивление проводов (Zпр = ρ
- 2L / S) – ключевой фактор, требующий увеличения сечения или сокращения длины кабеля.
- По проверке на электродинамическую и термическую стойкость: Iдин ≥ iуд (ударный ток КЗ); Iтерм ≥ Iкз
- √tпр (tпр – время протекания тока).
- По номинальному напряжению и схеме соединения: Соответствие номинальному напряжению сети и требуемой схеме вторичных цепей (3хЗНОЛ для учета в сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью).
- По классу точности: Для учета – 0,5.
- По нагрузке: Суммарная потребляемая мощность присоединенных счетчиков, реле и других приборов (Sрасч) должна быть меньше номинальной мощности ТН (S2н) в выбранном классе точности. Рекомендуется запас 20-25%.
- По конструкции и типу: Для сетей 6-35 кВ с изолированной нейтралью применяются ТН в исполнении «Звезда-Звезда с открытым треугольником» (3хЗНОЛ) для контроля изоляции.
- Прямое включение: Только в сетях 0,4 кВ при токах до 100 А.
- Полукосвенное включение: Счетчик включается через ТТ (в сетях 0,4 кВ и выше при токах более 100 А). Схемы: трехфазная трехпроводная (2 ТТ, 2 элемента счетчика), трехфазная четырехпроводная (3 ТТ, 3 элемента счетчика).
- Косвенное включение: Счетчик включается через ТТ и ТН (в сетях 6 кВ и выше). Схемы: десятипроводная (раздельные цепи тока и напряжения), с использованием комбинированных клеммных коробок.
- Визуальный контроль целостности, отсутствия разрядов, коронирования.
- Контроль надежности контактных соединений в первичных и вторичных цепях (нагрев).
- Контроль целостности цепи заземления вторичных обмоток (одна точка заземления для предотвращения наведенных потенциалов).
- Периодический контроль фактической вторичной нагрузки (Z2) и коэффициента загрузки.
- Запрет на работу ТТ в режиме холостого хода (разомкнутая вторичная обмотка) из-за риска пробоя изоляции и опасного высокого напряжения.
1.2. Измерительные трансформаторы напряжения (ТН)
Предназначены для преобразования первичного напряжения сети во вторичное стандартное напряжение. Основные типы:
2. Ключевые технические характеристики и классы точности
Выбор ТУ осуществляется на основе комплекса параметров, регламентированных ГОСТ 7746-2015 (ТТ) и ГОСТ 1983-2015 (ТН).
2.1. Для трансформаторов тока
| Класс точности | Допустимая токовая погрешность, ±% при токе первичной цепи | Допустимая угловая погрешность, ±мин. при токе первичной цепи | Основная сфера применения |
|---|---|---|---|
| 0.2S | 0.75% при 1% I1н; 0.35% при 5% I1н; 0.2% при 20-120% I1н | 30 при 1% I1н; 15 при 5% I1н; 10 при 20-120% I1н | Высокоточный коммерческий учет |
| 0.5S | 1.5% при 1% I1н; 0.75% при 5% I1н; 0.5% при 20-120% I1н | 90 при 1% I1н; 45 при 5% I1н; 30 при 20-120% I1н | Коммерческий учет, технический учет |
| 0.5 | — ; 1.5% при 10% I1н; 0.5% при 20-120% I1н | — ; 90 при 10% I1н; 30 при 20-120% I1н | Технический учет, измерения |
| 1.0 | — ; 3.0% при 10% I1н; 1.0% при 20-120% I1н | — ; 180 при 10% I1н; 60 при 20-120% I1н | Технический учет, сигнализация |
2.2. Для трансформаторов напряжения
| Класс точности | Допустимая погрешность по напряжению, ±% | Допустимая угловая погрешность, ±мин. | Основная сфера применения |
|---|---|---|---|
| 0.2 | 0.2 | 10 | Прецизионные лабораторные измерения, высокоточный учет |
| 0.5 | 0.5 | 20 | Коммерческий учет электроэнергии |
| 1.0 | 1.0 | 40 | Технический учет, измерения |
| 3.0 | 3.0 | Не нормируется | Сигнализация, блокировка |
3. Принципы выбора трансформаторов для коммерческого учета
Выбор ТУ регламентируется ПУЭ (Глава 1.5) и методическими указаниями. Основные критерии:
3.1. Выбор трансформаторов тока
3.2. Выбор трансформаторов напряжения
4. Организация схем учета с использованием ТТ и ТН
Наиболее распространенные схемы:
Критически важным требованием является правильность фазировки и полярности при подключении вторичных цепей. Ошибка приводит к некорректным показаниям. Цепи учета должны быть физически отделены от цепей релейной защиты и автоматики.
5. Поверка, метрологический надзор и эксплуатация
Трансформаторы учета относятся к средствам измерений и подлежат периодической поверке. Межповерочный интервал (МПИ) составляет, как правило, 4-8 лет для ТТ и 4-16 лет для ТН, в зависимости от типа и напряжения. Эксплуатация включает:
6. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Вопрос 1: Можно ли использовать для коммерческого учета трансформаторы тока класса точности 0.5 вместо 0.5S?
Нет, для коммерческого учета, согласно ПУЭ и договорным отношениям, должны применяться ТТ класса 0,5S или 0,2S. Класс «S» обеспечивает существенно более высокую точность в диапазоне малых нагрузок (1-5% от I1н), что минимизирует потери при недогрузке потребителя.
Вопрос 2: Как рассчитать необходимое сечение контрольного кабеля от ТТ до счетчика?
Сечение рассчитывается исходя из допустимого падения напряжения (сопротивления) для обеспечения вторичной нагрузки не более номинальной. Используется формула: S (мм²) ≥ (ρ 2L I2н²) / (Z2н — Zприб — Zконт), где ρ=0.028 Ом*мм²/м (для меди), L – длина кабеля в одну сторону (м), I2н=5А (или 1А), Z2н – номинальная нагрузка ТТ в Омах, Zприб и Zконт – сопротивления приборов и контактов. На практике для цепей 5А при длине до 50 м часто принимают сечение 2.5-4 мм², но расчет обязателен.
Вопрос 3: Что такое коэффициент безопасности приборов (FS) и как его выбирать?
FS (Factor of Security) – это предельная кратность тока для ТТ, при которой полная погрешность не превышает 5% или 10%. Он защищает приборы учета от больших погрешностей при сквозных токах КЗ. Для цепей учета, как правило, выбирают ТТ с FS5 или FS10. Значение FS должно быть согласовано с максимальным током КЗ в точке установки.
Вопрос 4: Обязательно ли заземлять вторичные обмотки ТТ и ТН?
Да, обязательно. Вторичные цепи измерительных трансформаторов должны быть заземлены в одной точке для обеспечения безопасности персонала и защиты оборудования от перехода высокого потенциала при пробое изоляции между обмотками. Для ТТ заземление выполняется на ближайшей от него сборке зажимов или в клеммной коробке. Для ТН, как правило, заземляется общая точка вторичных обмоток.
Вопрос 5: В чем основная причина выхода из строя трансформаторов тока?
Помимо естественного старения изоляции, основные причины: работа с разомкнутой вторичной обмоткой (холостой ход), приводящая к перегреву, пробою и возгоранию; превышение токов термической и динамической стойкости при КЗ; некачественные контактные соединения на первичной шине, вызывающие локальный перегрев и разрушение изоляции.
Заключение
Грамотный выбор, монтаж и эксплуатация трансформаторов для учета электроэнергии являются технической и экономической основой достоверного коммерческого учета. Соблюдение требований нормативных документов (ПУЭ, ГОСТ), тщательный расчет параметров вторичной нагрузки, правильная организация схем включения и регулярный метрологический контроль позволяют минимизировать методические погрешности и потери при расчетах за электроэнергию. Постоянное развитие технологий, включая появление комбинированных трансформаторов (ТНТ) и цифровых интерфейсов (МЭК 61850), не отменяет фундаментальных физических принципов, лежащих в основе работы измерительных трансформаторов, знание которых остается обязательным для специалистов в области энергоучета.