Клас захисту трансформатора струму (5P/10P) та напруга точки перегину — чому вимірювальний ТС не підходить для захисту

Посібник про клас точності вимірювання та навантаження трансформатора струму при обліку кВт·год розглядає класи 0,2/0,5/1, які описують допустиму похибку вимірювання при нормальному робочому струмі. Ця стаття розглядає другу основну категорію трансформаторів струму: призначену для захисту, де вимога по суті протилежна.

Чому вимірювальний ТС не підходить для захисту

Вимірювальний ТС оптимізований для високої точності при нормальному робочому струмі (в районі номінального рівня, максимум приблизно до 1,2× номіналу). Щоб захистити підключене вимірювальне обладнання (лічильник кВт·год, амперметр) від дуже високого струму під час пошкодження, вимірювальний ТС, крім того, навмисно спроектований так, щоб швидко насичуватися при кратному номінальному струмі — осердя досягає магнітного насичення, і вторинний струм перестає зростати пропорційно (значно вищому) первинному струму пошкодження. Для цілей вимірювання це бажана поведінка. Однак для захисту це проблема: захисному реле саме під час пошкодження, при сильно підвищеному первинному струмі, потрібен надійний пропорційний вторинний сигнал для правильної оцінки пошкодження.

Клас захисту: межа складеної похибки та коефіцієнт межі точності

Тому трансформатор струму для цілей захисту визначається згідно з класом захисту за IEC 61869-2 (раніше IEC 60044-1), позначуваним, наприклад, як 5P10 чи 10P20:

• Перше число (5 або 10) — це максимальна складена похибка (composite error) у відсотках при граничному струмі точності — тобто наскільки точним має залишатися ТС на крайній межі свого заданого діапазону.
• Літера P означає "protection" (захист).
• Друге число (10 або 20 у прикладах) — це коефіцієнт межі точності (accuracy limit factor, ALF): кратність номінального первинного струму, до якої ТС має залишатися в межах заданої складеної похибки. Таким чином, ТС класу 5P10 з номінальним первинним струмом 100 А має аж до 1000 А (10× номіналу) залишатися в межах 5% складеної похибки, а не насичуватися значно раніше, як це зробив би вимірювальний ТС.

Напруга точки перегину: де починається насичення

Окрім класу захисту, захисний ТС — особливо для таких застосувань, як високоомний захист від замикання на землю чи диференціальний захист (див. посібник про диференціальний захист трансформатора) — часто також характеризується через напругу точки перегину (knee-point voltage, Vk): точку на кривій намагнічування ТС, при якій збільшення напруги на 10% спричиняє збільшення струму намагнічування на 50% (визначення згідно з IEC 61869-2/IEC 61869-11 для ТС класу PX). Нижче напруги точки перегину ТС поводиться майже лінійно; значно вище напруги точки перегину настає сильне насичення. Вища напруга точки перегину (досягнута за рахунок більшого осердя чи меншої кількості вторинних витків) означає, що ТС залишається лінійним аж до вищого вторинного навантаження (burden) та вищого первинного струму пошкодження, перш ніж настане насичення.

Чому насичення ТС може ввести в оману диференціальне реле

При важкому, але зовнішньому (наскрізному) щодо захищуваної зони короткому замиканні один із ТС навколо диференціальної зони може насититися, тоді як інший — ні, наприклад, через різницю в залишковій (реманентній) намагніченості осердь, різницю у вторинному навантаженні чи різницю в сталій часу струму короткого замикання з обох боків. Це нерівномірне насичення дає позірний диференціальний струм, хоча внутрішнього пошкодження зовсім немає. Це одна з причин, чому, як розглядається в посібнику про диференціальний захист, характеристику гальмування роблять менш чутливою при високому наскрізному струмі: це частково компенсує зростаючий ризик помилок насичення ТС при важких зовнішніх пошкодженнях.

Увага: точний вибір класу захисту, ALF та напруги точки перегину для конкретного застосування (диференціальний захист, захист від замикання на землю чи максимально-струмовий захист) випливає з настанов виробника реле щодо застосування та системного дослідження; ця стаття розглядає поняття, а не готову таблицю вибору для кожного застосування.

Практична значущість

При специфікації чи перевірці трансформаторів струму для застосування в захисті важливо усвідомлювати, що ТС, позначений лише класом точності вимірювання (0,2/0,5/1), не підходить для цілей захисту, і що вибір захисного ТС із надто низьким коефіцієнтом межі точності чи напругою точки перегину відносно заданого вторинного навантаження може призвести до ненадійної роботи реле під час важких пошкоджень.

Часті помилки

1. Застосування вимірювального ТС (клас 0,2/0,5/1) для функції захисту — він навмисно спроектований для насичення при високому струмі пошкодження, чого захисне реле якраз не може собі дозволити.
2. Ігнорування ALF (коефіцієнта межі точності) захисного ТС при визначенні його придатності для очікуваного струму пошкодження — ТС класу 5P10, навантажений під час пошкодження струмом 15× номіналу, виходить далеко за межі свого заданого діапазону точності.
3. Неперевірка напруги точки перегину ТС для застосування високоомного захисту від замикання на землю чи диференціального захисту — надто низька напруга точки перегину відносно вторинного навантаження та очікуваного струму пошкодження підвищує ризик насичення та неправильного чи пропущеного спрацювання реле.
4. Припущення, що насичення ТС може призвести лише до пропущеного відключення — нерівномірне насичення між ТС навколо диференціальної зони може також призвести до хибного відключення при зовнішньому пошкодженні.

Пов'язані матеріали

• Клас точності вимірювання та навантаження трансформатора струму при непрямому обліку кВт·год
• Диференціальний захист трансформатора (87T)
• Трансформатор напруги (ТН) — клас точності вимірювання та навантаження при непрямому вимірюванні напруги
• Налаштування автоматичного вимикача — L, S, I та G у захисній характеристиці LSI(G)