Панасенко В.В. Преимущества класса точности 0,5S перед 0,5 для трансформаторов тока.

В современном мире, экономия ресурсов, будь то полезные ископаемые, водные ресурсы или деньги, является одним из важнейших принципов успешной деятельности. А для энергетики экономия должна быть чуть ли не главной целью, так как цены на энергоносители постоянно увеличиваются.

В связи с этим, актуально будет провести сравнение классов точности 0,5S и 0,5, и оценить преимущества более точного класса над менее точным. А также, описать характеристики материалов, применяемых для изготовления магнитопроводов ТТ.

Коммерческий учет электроэнергии по стороне высокого напряжения (6-10кV) строится на основе измерительных ТТ, измерительных трансформаторов напряжения (ТН) и трехфазных счетчиков электроэнергии. Кроме этого большая часть измерительных ТТ имеет дополнительную защитную обмотку с которой подается сигнал на устройства релейной защиты при аварийных ситуациях.

Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим график зависимости модуля предельной относительной погрешности ТТ для различных классов точности (Рисунок 1).

Рисунок 1. Графики модуля предельной относительной погрешности ТТ.

Из представленного графика видно, что для ТТ класса 0,5S погрешность нормируется начиная с 1% номинального тока и не может превышать 1,5%. Для ТТ класса 0,5 погрешность для 1% номинального тока не нормируется вообще, на 5% Iн составляет 1,5%, и даже на 20% Iн увеличивается до 0,75%.

К чему это приводит в коммерческом учете электроэнергии? В условиях спада и существенных колебаний нагрузки потребителей, ТТ значительное время работают в режиме действующего значения тока менее 20% Iн. Поскольку погрешность ТТ на малых токах всегда имеет отрицательное значение, применение ТТ класса 0,5 обязательно приведет к большему недоучету потребленной электроэнергии, чем при использовании ТТ класса 0,5S. Просчитаем величину этой разности в недоучете электроэнергии для случая трансформатора тока с номинальным током 150А.

Примем, что трансформатор тока 10 часов в сутки нагружен менее 20% номинального тока. Для промышленности это как правило время с 22.00 до 7.00, в коммунальном секторе это и ночное время, и время с 9.00 до 17.00. Будем считать, что среднее значение нагрузки в это время составляет 5% от номинальной. Разница погрешностей ТТ класса 0,5 и 0,5S на 5% нагрузки составляет 0,75%. Расчет потребленной электроэнергии для ТТ классов 0,5 и 0,5S проведем по формуле:

Рисунок 2. Расчет потребленной энергии для ТТ классов 0,5 и 0,5S.

Таким образом, за одни сутки недоучет электроэнергии при применении ТТ кл. 0,5 составит 5,625 кВт•час, а за год – 2053 кВт•час, что при стоимости 1 кВт•час 0,25грн. составит 500грн.

В сетях Украины находятся около 100 000 ТТ в основном класса 0,5, то есть, общий недоучет электроэнергии из-за использования ТТ низкого класса может составлять 205 300МВт•час или 51млн гривен в год. На самом деле потери энергоснабжающих компаний из-за высокой погрешности измерений существующих ТТ значительно больше, так как по статистике Укрметртестстандарта до 15% предоставляемых на очередную поверку ТТ бракуются; их погрешность не соответствует требованиям даже по классу 0,5.

Погрешность трансформатора тока тем меньше, чем меньше магнитное сопротивление магнитопровода, то есть , чем больше магнитная проницаемость материала, больше сечение сердечника и меньше его длина, а также, чем меньше вторичная нагрузка.

Традиционно для материала сердечников ТТ применяется электротехническая сталь. В трансформаторах тока производства Компании «Бионтоп» измерительные сердечники выполнены из нанокристаллического сплава семейства «Finemet». Такие сплавы начали применяться в конце 80-х годов прошлого столетия в электротехнической промышленности США и Японии. Эти сплавы на основе железа, кремния, бора, ниобия и меди получают путем розлива расплава через тонкую ~25мкм фильеру на поверхность вращающегося с большой скоростью охлаждаемого вала. При высокой скорости охлаждения (до 1 миллиона градусов в секунду) атомы сплава не успевают сформировать крупнокристаллическую решетку. Сплав, таким образом, приобретает аморфный, нанокристаллический характер, когда размеры кристаллов и доменов в тысячи раз меньше обычных и уникальные магнитно-электрические свойства.

На рис. 3 представлены типовые петли гистерезиса для электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Рисунок 2. Петля гистерезиса для электротехнической стали и нанокристаллического сплава.

Поскольку ТТ работают в установившемся режиме в малых полях, то для их изготовления необходимо использовать материалы не только с большой магнитной проницаемостью, но и с высокой начальной магнитной проницаемостью.

Высокая начальная магнитная проницаемость и линейность характеристики намагничивания позволяет обеспечить метрологические характеристики ТТ с магнитопроводами из нанокристаллических сплавов уже в начале диапазона, а высокая максимальная магнитная проницаемость в конце диапазона (120% Iн). Характеристика намагничивания магнитопроводов из электротехнической стали в начале диапазона имеет нелинейный характер, чем и объясняется увеличенная погрешность измерений в диапазоне до 20% Iном.

Значение магнитной индукции насыщения для нанокристаллических сплавов меньше, чем для электротехнической стали, что позволяет снизить коэффициент безопасности.

Очень низкое значение коэрцитивной силы у нанокристаллического сплава практически исключает возможность намагничивания сердечника постоянным током. Полное перемагничивание сердечника при подаче переменного тока происходит уже при напряженности магнитного поля и значениях первичного тока 1-2 процента.

Для сердечников же из электротехнической стали, которые могут намагнититься при аварийных отключениях этого добиться трудно.

За счет высокого удельного сопротивления магнитные вихретоковые потери в нанокристаллических сердечниках в 4-10 раз меньше, чем в сердечниках из электротехнической стали.

Нанокристаллические сплавы сохраняют свои магнитные свойства при нормальной температуре не менее 100 лет, а при температуре +50°С не менее 50 лет, что позволяет увеличивать межповерочный интервал ТТ.

В целом нанокристаллические сердечники характеризуются меньшей материалоемкостью, габаритом и весом по сравнению с сердечниками из электротехнической стали для аналогичных по номиналам ТТ.

Подводя итог, стоит отметить, что изложенные в этой статье преимущества оценили белорусские энергетики. Согласно стандарту Белэнерго СТП 09110.47.104-11: "Для сетей и электроустановок 6-10 кВ измерительные ТТ для расчетного учета должны иметь класс точности не ниже 0,2S. Для технического учета допустимо использование ТТ класса точности не ниже 0,5S." В свою очередь, украинские государственные ведомства в сфере энергетики ведут менее активную политику...