Klasa zabezpieczeniowa przekładnika prądowego (5P/10P) i napięcie punktu kolanowego — dlaczego przekładnik pomiarowy nie nadaje się do zabezpieczeń

Poradnik o klasie pomiarowej i obciążeniu przekładnika prądowego przy pomiarze kWh opisuje klasy 0,2/0,5/1, które określają dopuszczalny błąd pomiaru przy normalnym prądzie roboczym. Ten artykuł omawia drugą główną kategorię przekładników prądowych: przeznaczoną do zabezpieczeń, gdzie wymaganie jest zasadniczo odwrotne.

Dlaczego przekładnik pomiarowy nie nadaje się do zabezpieczeń

Przekładnik pomiarowy jest zoptymalizowany pod kątem wysokiej dokładności przy normalnym prądzie roboczym (w okolicach wartości znamionowej, do może 1,2× wartości znamionowej). Aby chronić podłączone urządzenia pomiarowe (licznik kWh, amperomierz) przed bardzo wysokim prądem podczas zwarcia, przekładnik pomiarowy jest ponadto celowo zaprojektowany tak, by szybko ulegać nasyceniu przy wielokrotności prądu znamionowego — rdzeń ulega nasyceniu magnetycznemu, a prąd wtórny przestaje wówczas rosnąć proporcjonalnie do (znacznie wyższego) prądu pierwotnego zwarcia. Dla celów pomiarowych jest to zachowanie pożądane. Dla zabezpieczeń stanowi to jednak problem: przekaźnik zabezpieczeniowy potrzebuje właśnie podczas zwarcia, przy silnie podwyższonym prądzie pierwotnym, wiarygodnego, proporcjonalnego sygnału wtórnego, aby prawidłowo ocenić zwarcie.

Klasa zabezpieczeniowa: granica błędu złożonego i współczynnik granicy dokładności

Przekładnik prądowy do celów zabezpieczeniowych jest zatem określany zgodnie z klasą zabezpieczeniową według IEC 61869-2 (dawniej IEC 60044-1), oznaczaną na przykład jako 5P10 lub 10P20:

• Pierwsza liczba (5 lub 10) to maksymalny błąd złożony (composite error) w procentach przy prądzie granicznym dokładności — czyli jak dokładny musi być przekładnik na skrajnym końcu swojego określonego zakresu.
• Litera P oznacza "protection" (zabezpieczenie).
• Druga liczba (10 lub 20 w przykładach) to współczynnik granicy dokładności (accuracy limit factor, ALF): wielokrotność znamionowego prądu pierwotnego, do której przekładnik musi pozostać w granicach podanego błędu złożonego. Przekładnik 5P10 o znamionowym prądzie pierwotnym 100 A musi więc do 1000 A (10× wartość znamionowa) pozostać w granicach 5% błędu złożonego, zamiast ulegać nasyceniu znacznie wcześniej, jak zrobiłby to przekładnik pomiarowy.

Napięcie punktu kolanowego: gdzie zaczyna się nasycenie

Oprócz klasy zabezpieczeniowej, przekładnik zabezpieczeniowy — szczególnie do zastosowań takich jak zabezpieczenie doziemne wysokoimpedancyjne lub zabezpieczenie różnicowe (patrz poradnik o zabezpieczeniu różnicowym transformatora) — jest często charakteryzowany również poprzez napięcie punktu kolanowego (knee-point voltage, Vk): punkt na krzywej wzbudzenia przekładnika, przy którym wzrost napięcia o 10% powoduje wzrost prądu wzbudzenia o 50% (definicja według IEC 61869-2/IEC 61869-11 dla przekładników klasy PX). Poniżej napięcia punktu kolanowego przekładnik zachowuje się niemal liniowo; znacznie powyżej napięcia punktu kolanowego występuje silne nasycenie. Wyższe napięcie punktu kolanowego (uzyskane dzięki większemu rdzeniowi lub mniejszej liczbie zwojów wtórnych) oznacza, że przekładnik pozostaje liniowy aż do wyższego obciążenia wtórnego (burden) oraz wyższego pierwotnego prądu zwarciowego, zanim wystąpi nasycenie.

Dlaczego nasycenie przekładnika może wprowadzić w błąd przekaźnik różnicowy

Przy silnym, lecz dla chronionej strefy zewnętrznym (przelotowym) zwarciu, jeden z przekładników wokół strefy różnicowej może ulec nasyceniu, podczas gdy drugi nie — na przykład z powodu różnicy w resztkowej (remanentnej) magnetyzacji rdzeni, różnicy w obciążeniu wtórnym lub różnicy w stałej czasowej prądu zwarciowego po obu stronach. To nierówne nasycenie daje pozorny prąd różnicowy, mimo że nie ma żadnego zwarcia wewnętrznego. Jest to jeden z powodów, dla których, jak opisano w poradniku o zabezpieczeniu różnicowym, charakterystyka hamowania jest czyniona mniej czuła przy wysokim prądzie przelotowym: to częściowo kompensuje rosnące ryzyko błędów nasycenia przekładnika podczas silnych zwarć zewnętrznych.

Uwaga: dokładny wybór klasy zabezpieczeniowej, ALF i napięcia punktu kolanowego dla konkretnego zastosowania (zabezpieczenie różnicowe, doziemne lub nadprądowe) wynika z wytycznych aplikacyjnych producenta przekaźnika oraz studium systemowego; ten artykuł omawia pojęcia, a nie gotową tabelę wyboru dla każdego zastosowania.

Znaczenie praktyczne

Przy specyfikowaniu lub sprawdzaniu przekładników prądowych do zastosowania zabezpieczeniowego istotne jest uznanie, że przekładnik oznaczony wyłącznie klasą pomiarową (0,2/0,5/1) nie nadaje się do celów zabezpieczeniowych, oraz że wybór przekładnika zabezpieczeniowego o zbyt niskim współczynniku granicy dokładności lub napięciu punktu kolanowego w stosunku do określonego obciążenia wtórnego może prowadzić do niewiarygodnego działania przekaźnika podczas silnych zwarć.

Częste błędy

1. Zastosowanie przekładnika pomiarowego (klasa 0,2/0,5/1) do funkcji zabezpieczeniowej — jest on celowo zaprojektowany do nasycania się przy wysokim prądzie zwarciowym, czego przekaźnik zabezpieczeniowy właśnie nie może sobie pozwolić.
2. Pomijanie ALF (współczynnika granicy dokładności) przekładnika zabezpieczeniowego przy określaniu jego przydatności do oczekiwanego prądu zwarciowego — przekładnik 5P10 obciążony podczas zwarcia prądem 15× wartości znamionowej wykracza daleko poza swój określony zakres dokładności.
3. Niesprawdzanie napięcia punktu kolanowego przekładnika przy zastosowaniu zabezpieczenia doziemnego wysokoimpedancyjnego lub różnicowego — zbyt niskie napięcie punktu kolanowego względem obciążenia wtórnego i oczekiwanego prądu zwarciowego zwiększa ryzyko nasycenia oraz błędnego lub pominiętego zadziałania przekaźnika.
4. Zakładanie, że nasycenie przekładnika może prowadzić wyłącznie do pominiętego wyłączenia — nierówne nasycenie między przekładnikami wokół strefy różnicowej może również prowadzić do błędnego wyłączenia przy zwarciu zewnętrznym.

Powiązane

• Klasa pomiarowa i obciążenie przekładnika prądowego przy pośrednim pomiarze kWh
• Zabezpieczenie różnicowe transformatora (87T)
• Przekładnik napięciowy (VT) — klasa pomiarowa i obciążenie przy pośrednim pomiarze napięcia
• Nastawy wyłącznika mocy — L, S, I i G w charakterystyce zabezpieczeniowej LSI(G)