Stroomtransformator beveiligingsklasse (5P/10P) en knikpuntspanning — waarom een meet-CT niet geschikt is voor beveiliging

De gids over stroomtransformator meetklasse en burden bij kWh-meting behandelt de klassen 0,2/0,5/1, die de toegestane meetfout bij normale bedrijfsstroom beschrijven. Dit artikel behandelt de andere hoofdcategorie stroomtransformator: die bedoeld voor beveiliging, waar de vereiste juist andersom ligt.

Waarom een meet-CT ongeschikt is voor beveiliging

Een meet-CT is geoptimaliseerd om bij normale bedrijfsstroom (rond het nominale niveau, tot misschien 1,2× nominaal) zeer nauwkeurig te zijn. Om de aangesloten meetapparatuur (kWh-meter, ampèremeter) te beschermen tegen de zeer hoge stroom tijdens een fout, is een meet-CT bovendien doelbewust ontworpen om bij een veelvoud van de nominale stroom snel te verzadigen — de kern raakt magnetisch verzadigd en de secundaire stroom loopt dan niet langer evenredig op met de (veel hogere) primaire foutstroom. Voor meetdoeleinden is dat wenselijk gedrag. Voor beveiliging is het echter een probleem: een beveiligingsrelais moet juist tijdens de fout, bij een sterk verhoogde primaire stroom, een betrouwbaar proportioneel secundair signaal krijgen om de fout correct te kunnen beoordelen.

De beveiligingsklasse: samengestelde-foutgrens en nauwkeurigheidsgrensfactor

Een stroomtransformator voor beveiligingsdoeleinden wordt daarom gespecificeerd volgens een beveiligingsklasse conform IEC 61869-2 (voorheen IEC 60044-1), genoteerd als bijvoorbeeld 5P10 of 10P20:

• Het eerste getal (5 of 10) is de maximale samengestelde fout (composite error) in procenten bij de nauwkeurigheidsgrensstroom — dus hoe nauwkeurig de CT nog moet zijn op het uiterste punt van zijn gespecificeerde bereik.
• De letter P staat voor "protection" (beveiliging).
• Het tweede getal (10 of 20 in de voorbeelden) is de nauwkeurigheidsgrensfactor (accuracy limit factor, ALF): het veelvoud van de nominale primaire stroom waarbij de CT nog binnen de opgegeven samengestelde fout moet blijven. Een 5P10-CT met een nominale primaire stroom van 100 A moet dus tot 1000 A (10× nominaal) nog binnen 5 % samengestelde fout blijven, in plaats van al ver daaronder te verzadigen zoals een meet-CT zou doen.

Knikpuntspanning: waar de verzadiging inzet

Naast de beveiligingsklasse wordt een beveiligings-CT — met name voor toepassingen zoals hoge-impedantie-aardfoutbeveiliging of differentiaalbeveiliging (zie de gids over transformator-differentiaalbeveiliging) — vaak ook gekarakteriseerd via de knikpuntspanning (knee-point voltage, Vk): het punt op de excitatiekromme van de CT waarbij een spanningstoename van 10 % een toename van de excitatiestroom van 50 % veroorzaakt (de definitie volgens IEC 61869-2/IEC 61869-11 voor klasse PX- CT's). Onder de knikpuntspanning gedraagt de CT zich nog nagenoeg lineair; ruim boven de knikpuntspanning treedt sterke verzadiging op. Een hogere knikpuntspanning (bereikt via een grotere kern of minder secundaire windingen) betekent dat de CT tot een hogere secundaire belasting (burden) én een hogere primaire foutstroom lineair blijft werken voordat verzadiging optreedt.

Waarom CT-verzadiging een differentiaalrelais kan misleiden

Bij een zware, maar voor de beschermde zone externe (doorgaande) kortsluiting kan één van de CT's rond een differentiaalzone verzadigen terwijl de andere dat niet doet — bijvoorbeeld door een verschil in resterende (remanente) magnetisatie van de kernen, een verschil in secundaire burden, of een verschil in de tijdconstante van de kortsluitstroom aan beide zijden. Deze ongelijke verzadiging levert een schijnbare differentiaalstroom op, ook al is er geen enkele interne fout. Dit is een van de redenen waarom, zoals behandeld in de gids over differentiaalbeveiliging, de restraint-karakteristiek bij een hoge doorgaande stroom minder gevoelig wordt gemaakt: dat compenseert mede voor het toenemende risico op CT-verzadigingsfouten bij zware externe fouten.

Let op: de exacte keuze van beveiligingsklasse, ALF en knikpuntspanning voor een specifieke toepassing (differentiaal-, aardfout- of overstroombeveiliging) volgt uit de toepassingsrichtlijnen van de relaisfabrikant en de systeemstudie; dit artikel behandelt de begrippen, niet een pasklare keuzetabel voor elke toepassing.

Praktische relevantie

Bij het specificeren of controleren van stroomtransformatoren voor een beveiligingstoepassing is het van belang te onderkennen dat een CT met alleen een meetklasse-aanduiding (0,2/0,5/1) niet geschikt is voor beveiligingsdoeleinden, en dat het kiezen van een beveiligings-CT met een te lage nauwkeurigheidsgrensfactor of knikpuntspanning voor de opgegeven secundaire burden tot onbetrouwbare relaiswerking tijdens zware fouten kan leiden.

Veelgemaakte fouten

1. Een meet-CT (klasse 0,2/0,5/1) toepassen voor een beveiligingsfunctie — deze is doelbewust ontworpen om bij hoge foutstroom te verzadigen, wat een beveiligingsrelais juist niet mag doen.
2. De ALF (accuracy limit factor) van een beveiligings-CT negeren bij het bepalen of deze geschikt is voor de verwachte foutstroom — een 5P10-CT die tijdens een fout met 15× nominale stroom wordt belast, valt ver buiten zijn gespecificeerde nauwkeurigheidsbereik.
3. De knikpuntspanning van een CT niet controleren bij een hoge-impedantie-aardfout- of differentiaaltoepassing — een te lage knikpuntspanning ten opzichte van de secundaire burden en de verwachte foutstroom verhoogt het risico op verzadiging en onterechte of gemiste relaiswerking.
4. Aannemen dat CT-verzadiging alleen tot een gemiste afschakeling kan leiden — ongelijke verzadiging tussen CT's rond een differentiaalzone kan óók tot een onterechte afschakeling bij een externe fout leiden.

Gerelateerd

• Stroomtransformator meetklasse en burden bij indirecte kWh-meting
• Differentiaalbeveiliging van een transformator (87T)
• Spanningstransformator (VT) — meetklasse en burden bij indirecte spanningsmeting
• Vermogensschakelaar-instellingen — L, S, I en G in de LSI(G)-beveiligingscurve