Измерительная арматура

Измерительная арматура: классификация, устройство, применение и требования

Измерительная арматура (ИА) представляет собой совокупность устройств, предназначенных для безопасного подключения, защиты и обеспечения работы измерительных приборов (счетчиков электроэнергии, ваттметров, амперметров, вольтметров, анализаторов качества электроэнергии и др.) в электрических установках низкого (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжения. Ее основная функция – преобразование высоких первичных токов и напряжений в стандартизированные вторичные значения, безопасные для непосредственного измерения и обработки приборами учета и контроля, а также обеспечение гальванической развязки цепей.

1. Назначение и основные функции

Измерительная арматура выполняет ряд критически важных функций в электроэнергетических системах:

• Трансформация параметров: Снижение первичных токов и напряжений до стандартных вторичных значений (например, 5 А, 1 А для тока и 100 В, 100/√3 В для напряжения).
• Обеспечение безопасности: Гальваническая развязка высоковольтных первичных цепей и низковольтных цепей измерительных приборов и защитных реле, что защищает персонал и оборудование.
• Стандартизация измерительных цепей: Приведение сигналов к единым стандартам, что позволяет использовать унифицированные измерительные приборы.
• Создание точки подключения: Обеспечение удобного и безопасного места для установки, замены и поверки приборов учета без отключения высоковольтного оборудования.
• Участие в системах релейной защиты и автоматики (РЗА): Подача сигналов на устройства защиты для отключения оборудования при аварийных режимах.

2. Классификация и типы измерительной арматуры

Измерительная арматура классифицируется по нескольким ключевым признакам.

2.1. По виду преобразуемого параметра

• Измерительные трансформаторы тока (ТТ): Предназначены для преобразования первичного тока в пропорционально уменьшенный вторичный ток. Устанавливаются последовательно в измеряемую цепь.
• Измерительные трансформаторы напряжения (ТН): Предназначены для преобразования первичного напряжения в пропорционально уменьшенное вторичное напряжение. Устанавливаются параллельно измеряемому участку цепи.
• Комбинированные измерительные трансформаторы (ТНТ): Совмещают в одном корпусе трансформатор тока и напряжения.

2.2. По классу напряжения

• Для внутренней установки (до 35 кВ): Обычно имеют фарфоровую или литую эпоксидную изоляцию.
• Для наружной установки (от 6 кВ и выше): Имеют маслонаполненную, газовую (SF6) или современную полимерную изоляцию, рассчитанную на атмосферные воздействия.

2.3. По конструкции и способу установки

• Проходные: Имеют сквозной токоведущий стержень и используются в качестве ввода через стенки или металлические конструкции (характерно для ТТ).
• Опорные: Устанавливаются на опорную плоскость (плоскость основания).
• Шинные: Первичной обмоткой является сама шина распределительного устройства, проходящая через окно трансформатора.
• Встроенные: Конструктивно встраиваются в другие аппараты (например, в силовые трансформаторы, выключатели, генераторные выводы).
• Разъемные (трансформатор тока нулевой последовательности): Имеют разъемный магнитопровод для установки на кабель без его разрыва.

3. Устройство и принцип действия ключевых компонентов

3.1. Трансформатор тока (ТТ)

Основные элементы ТТ: магнитопровод, первичная обмотка (шинная, стержневая или катушечная), вторичная обмотка, изоляция, корпус. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока. Нагрузкой вторичной обмотки являются измерительные приборы и реле, соединенные последовательно (цепь тока всегда замкнута). Работает в режиме, близком к короткому замыканию. Важнейшие параметры: номинальный первичный (I1н) и вторичный (I2н) ток, класс точности, номинальная нагрузка в ВА, предельный коэффициент кратности.

Таблица 1. Классы точности трансформаторов тока

Класс точности	Допустимая погрешность, %	Основная область применения
0.1	±0.1	Лабораторные прецизионные измерения
0.2S, 0.2	±0.2	Коммерческий учет электроэнергии (высшего класса)
0.5S, 0.5	±0.5	Коммерческий и технический учет
1.0	±1.0	Технические измерения, щитовые приборы
3.0	±3.0	Измерения в цепях релейной защиты
5P, 10P	±1%, ±3% (при полном токе ошибки)	Цепи релейной защиты (P – protection)

3.2. Трансформатор напряжения (ТН)

Основные элементы ТН: магнитопровод, первичная обмотка (высоковольтная), вторичная обмотка (одна или несколько), изоляция, корпус. Первичная обмотка подключается параллельно к измеряемому напряжению. Ко вторичной обмотке параллельно подключаются измерительные приборы, счетчики и реле. Работает в режиме, близком к холостому ходу. Важнейшие параметры: номинальное первичное (U1н) и вторичное (U2н) напряжение, класс точности, номинальная мощность в ВА.

Таблица 2. Классы точности трансформаторов напряжения

Класс точности	Допустимая погрешность, %	Основная область применения
0.1	±0.1	Эталонные измерения, лаборатории
0.2	±0.2	Коммерческий учет высокой точности
0.5	±0.5	Коммерческий учет, технические измерения
1.0	±1.0	Технический учет, щитовые приборы
3.0	±3.0	Измерения для сигнализации и в цепях РЗА

4. Дополнительные устройства и комплектующие измерительной арматуры

• Клеммные коробки и испытательные блоки: Обеспечивают безопасное и удобное подключение, коммутацию цепей, а также возможность отключения вторичных цепей для проведения испытаний и замены приборов без нарушения работы первичного оборудования.
• Ограничители перенапряжений (ОПН) для вторичных цепей: Защищают низковольтные измерительные цепи и приборы от высоковольтных перенапряжений, которые могут наводиться при пробое изоляции в первичных цепях или грозовых разрядах.
• Коммутационные устройства для счетчиков: Колодки с испытательными зажимами, позволяющие отключать токовые и потенциальные цепи счетчика для его поверки без прерывания питания потребителя.
• Маркировочные системы: Бирочки, кембрики для четкой идентификации вторичных цепей согласно схеме (например, А411, А412 для цепей тока фазы А; В611, В612 для цепей напряжения).

5. Требования нормативной документации и правила монтажа

Производство, испытания и монтаж измерительной арматуры регламентируются строгими нормативными документами: ГОСТ IEC 61869-1-2019 (серия стандартов на измерительные трансформаторы), ГОСТ 7746-2015 (ТТ), ГОСТ 1983-2015 (ТН), ПУЭ (Главы 1.5, 3.4).

Ключевые требования по монтажу и эксплуатации:

• Вторичные обмотки ТТ должны быть всегда замкнуты на нагрузку или закорочены. Разрыв цепи под нагрузкой недопустим из-за опасности возникновения высокого напряжения на выводах.
• Корпус и вторичная обмотка ТТ и ТН должны быть надежно заземлены для защиты персонала.
• Сечение и длина контрольных кабелей во вторичных цепях должны выбираться исходя из допустимого падения напряжения (для цепей ТН) и сопротивления (для цепей ТТ), чтобы не выйти за пределы погрешности класса точности.
• Цепи учета и цепи защиты, как правило, выполняются на независимых обмотках ТТ (разные классы точности: 0.5S для учета, 10P для защиты).
• При монтаже необходимо соблюдать полярность выводов для правильного функционирования счетчиков и устройств РЗА.

6. Перспективные тенденции развития

• Цифровые измерительные трансформаторы (ЦИТ): Используют оптические или электронные принципы измерения (эффект Фарадея, эффект Поккельса, датчики Роговского). Выходной сигнал – цифровой, по стандарту МЭК 61869-9. Позволяют интегрироваться в цифровые подстанции.
• Интеллектуальные функции: Встраивание датчиков температуры, устройств мониторинга состояния изоляции, цифровых интерфейсов для передачи данных в системы SCADA.
• Использование новых изоляционных материалов: Развитие полимерных и литых изоляций с улучшенными трекингостойкими и дугогасящими свойствами.
• Миниатюризация: Создание компактных ТТ и ТН для КРУЭ и комплектных трансформаторных подстанций.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

В1. Чем отличается класс точности 0.5S от 0.5 у трансформатора тока?

Класс точности с индексом «S» (расширенный) гарантирует заданную погрешность в более широком диапазоне первичных токов – от 1% до 120% от номинального тока. Обычный класс 0.5 гарантирует точность в диапазоне от 5% до 120%. Это делает класс 0.5S предпочтительным для коммерческого учета, где важна точность при малых нагрузках.

В2. Почему запрещено размыкать вторичную цепь трансформатора тока под нагрузкой?

При размыкании вторичной цепи исчезает размагничивающее действие вторичного тока. Весь первичный ток становится током намагничивания, что приводит к резкому росту магнитного потока в сердечнике и, как следствие, к возникновению высокого напряжения (до нескольких киловольт) на выводах разомкнутой обмотки. Это опасно для жизни персонала, может привести к пробою изоляции и выходу трансформатора из строя.

В3. Сколько вторичных обмоток может быть у трансформатора тока и для чего они нужны?

Современные ТТ могут иметь от 1 до 5 и более вторичных обмоток. Они предназначены для раздельного подключения цепей:

• Цепи коммерческого учета (класс точности 0.5S).
• Цепи технического учета (класс 0.5).
• Цепи релейной защиты (классы 5P, 10P).
• Цепи автоматики и измерений.

Это позволяет выполнять разные функции на одном первичном устройстве, обеспечивая независимость и требуемую точность для каждой системы.

В4. Что такое «нагрузка трансформатора тока в ВА» и как ее правильно выбрать?

Нагрузка в ВА (Вольт-Амперах) – это полная мощность, которую может отдать вторичная обмотка ТТ в номинальном режиме, не выходя за пределы погрешности заявленного класса точности. Она складывается из мощности, потребляемой всеми подключенными приборами и реле, и потерь в соединительных проводах. Выбор заключается в том, чтобы рассчитанная полная нагрузка вторичной цепи была меньше или равна номинальной нагрузке ТТ для данного класса точности. При заниженном сечении или большой длине контрольного кабеля потери в проводах могут превысить допустимые, что приведет к выходу ТТ за класс точности.

В5. В чем преимущества и недостатки оптических трансформаторов тока?

Преимущества: Полная гальваническая развязка, широкий динамический диапазон, отсутствие насыщения магнитопровода, невосприимчивость к электромагнитным помехам, малые габариты и вес, цифровой выходной сигнал, пригодность для работы на сверхвысоких напряжениях.
Недостатки: Высокая стоимость, чувствительность оптических элементов к механическим воздействиям и температуре, необходимость в стабильном источнике питания для электронного преобразовательного модуля, более сложная процедура поверки.