Руководство по проектированию трансформаторов тока для защиты и измерений

Руководство по проектированию трансформаторов тока для защиты и измерений

Трансформаторы тока (ТТ) — это прецизионные устройства, которые преобразуют первичные токи в стандартные вторичные значения для реле и измерительных приборов. Проектирование ТТ включает баланс магнитных характеристик, тепловых пределов и механической прочности для обеспечения требуемой точности в различных режимах работы.

Краткое определение: Проектирование трансформатора тока — это инженерный процесс выбора материалов сердечника, конфигурации обмоток и систем изоляции для точного воспроизведения первичных токов на масштабированном вторичном уровне.

Основные выводы по проекту

• Проектирование ТТ должно соответствовать стандартам IEC 61869-2 и IEEE C57.13 по точности, безопасности и испытаниям.
• Насыщение сердечника, размер нагрузки и тепловые характеристики определяют надежность ТТ при аварийных режимах.
• Enwei Electric предлагает трансформаторы тока, разработанные специально для систем защиты, измерений и цифровых подстанций.
• Внешние стандарты от МЭК, IEEE и NERC определяют технические требования, методы испытаний и протоколы технического обслуживания.

Определение целей проектирования

Сначала проектировщики уточняют, предназначен ли ТТ для защиты, измерений или выполняет обе функции. Трансформаторы тока для защиты prioritизируют переходные характеристики и высокое напряжение колена кривой намагничивания, чтобы избежать насыщения при авариях. Трансформаторы тока для измерений обеспечивают точность в различных диапазонах нагрузки. Условия окружающей среды, ограничения по монтажу и интеграция с коммутационным оборудованием влияют на выбор геометрии и изоляции.

Основы магнитной цепи

Сердечник ТТ образует магнитную цепь, которая направляет магнитный поток, создаваемый первичным током. Площадь поперечного сечения сердечника и длина магнитного пути определяют ток намагничивания и характеристики насыщения. Конструкторы используют материалы с высокой проницаемостью, чтобы минимизировать ток намагничивания, обеспечивая соответствие вторичного тока форме волны первичного тока.

Воздушные зазоры, которые зачастую нежелательны, могут быть преднамеренно введены в специальных ТТ для управления насыщением. Однако зазоры увеличивают ток намагничивания и снижают точность, поэтому они должны тщательно учитываться при моделировании.

Соответствие стандартам и ссылки

• IEC 61869-2:2012 — Определяет классы точности, тепловые пределы и методы испытаний. Источник: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Охватывает требования к измерительным трансформаторам в Северной Америке. Источник: IEEE
• NERC PRC-005 — Определяет интервалы технического обслуживания компонентов систем защиты. Источник: NERC

Соблюдение стандартов гарантирует, что ТТ соответствуют международным ожиданиям по точности и требованиям регуляторных проверок.

Расчёты конструкции сердечника

Конструкторы рассчитывают площадь поперечного сечения сердечника, используя максимальную плотность магнитного потока, допустимую для выбранного материала, с учетом первичного тока, коэффициента трансформации и частоты. Плотность потока должна оставаться ниже порога насыщения при условиях максимальной аварийной нагрузки.

Напряжение в точке изгиба вычисляется на основе характеристик сердечника и коэффициента трансформации, что обеспечивает способность защитных ТТ поддерживать выходное напряжение при высоких нагрузках во вторичных цепях. Инженеры также определяют ток намагничивания и кривые возбуждения для проверки точности в пределах заданных классов.

Соображения по обмоткам и нагрузке

Конструирование вторичной обмотки включает выбор сечения проводника и числа витков для достижения требуемого коэффициента трансформации с учетом тепловых нагрузок. Сопротивление обмотки и индуктивное рассеяние вносят вклад в общую нагрузку и должны быть сведены к минимуму.

Расчеты нагрузки включают подключенные устройства — счетчики, реле — а также сопротивление проводов. Суммарная нагрузка должна оставаться ниже номинального значения для обеспечения точности. В некоторых конструкциях используются несколько вторичных обмоток для отдельных цепей защиты и учета.

Выбор материала сердечника и обмотки

Трансформаторы тока для защиты часто используют текстурованную кремниевую сталь или нанокристаллические материалы с высокой плотностью магнитного насыщения. Трансформаторы тока для измерений могут использовать аморфные сплавы для повышения точности при малых токах. Изоляция вторичной обмотки выполняется из медного провода с эмалевым покрытием, дополняемого слоями эпоксидной смолы, Майлара или Номекса в зависимости от класса напряжения.

Конструкция включает опорные элементы, зажимные рамы и заливку смолой для устойчивости к электродинамическим усилиям при коротких замыканиях. Трансформаторы тока для наружной установки требуют герметичных корпусов, устойчивых к атмосферным воздействиям, в то время как внутренние модели интегрируются в ячейки комплектных распределительных устройств.

Тепловые и механические характеристики

ТТ генерируют тепло за счет потерь в меди и гистерезиса сердечника. Тепловое моделирование обеспечивает повышение температуры в пределах норм IEC. Для эффективного отвода тепла проектировщики могут использовать литые эпоксидные или маслонаполненные корпуса.

Силы короткого замыкания могут превышать несколько кН, особенно в приложениях с высоким током. Каркасы ТТ, опорные кронштейны и изоляция должны выдерживать механические нагрузки, чтобы избежать деформации или пробоя изоляции.

Тестирование и валидация

Прототипы ТТ проходят регулярные, типовые и специальные испытания: проверку точности коэффициента трансформации, проверку полярности, испытания изоляции, испытания на выдерживание тока короткого замыкания и измерения частичных разрядов. Кривые намагничивания подтверждают напряжение колена, а испытания на нагрев подтверждают правильность тепловой конструкции.

Цифровые инструменты моделирования, такие как метод конечных элементов (МКЭ), помогают проверить распределение магнитного потока и механические напряжения до проведения физических испытаний. Лаборатории Enwei Electric собирают данные для подтверждения соответствия техническим требованиям заказчиков и международным стандартам.

Контрольный список инженера для проектирования трансформатора тока

• Определите назначение: защита, измерение или комбинированное применение.
• Выберите материал сердечника и определите площадь поперечного сечения, чтобы избежать насыщения.
• Рассчитайте коэффициент трансформации, напряжение точки изгиба и намагничивающий ток.
• Оцените нагрузку, включая подключенные устройства и проводку.
• Спроектируйте изоляцию, тепловую защиту и механические крепления с учетом условий эксплуатации.
• Запланируйте проверочные испытания в соответствии с IEC 61869-2 и IEEE C57.13.

Опыт Enwei Electric в разработке трансформаторов тока

Enwei Electric производит трансформаторы тока среднего и низкого напряжения с возможностью настройки коэффициентов трансформации, классов точности и систем изоляции. Ознакомьтесь с ассортиментом продукции на https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Интеграция с комплектными распределительными устройствами ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) и трансформаторы ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) обеспечивает согласованную работу системы.

Часто задаваемые вопросы по проектированию трансформаторов тока

Как предотвратить насыщение ТТ при аварийных режимах?

Спроектируйте высокое напряжение изгиба характеристики, выбрав подходящий материал сердечника, увеличив количество витков и контролируя нагрузку, чтобы оставаться в пределах номинальных значений.

Может ли один ТТ использоваться одновременно для защиты и измерения?

Да, при наличии двух вторичных обмоток, спроектированных для разных классов точности, но необходимо тщательно управлять нагрузкой, чтобы избежать взаимного влияния.

Какую поддержку в проектировании предлагает Enwei Electric?

Enwei Electric предоставляет инженерные услуги по применению, выбору коэффициента трансформации и проверочным испытаниям для поставки ТТ, адаптированных к требованиям защиты или измерения.

Призыв к действию: Создайте прецизионные ТТ вместе с Enwei Electric

Надежная конструкция трансформатора тока необходима для точного измерения и надежной защиты. Сотрудничайте с компанией Enwei Electric в области разработки трансформаторов тока, испытаний и поддержки интеграции систем. Свяжитесь с компанией Enwei Electric уже сегодня, чтобы ускорить реализацию вашего проекта по разработке трансформатора тока.

Заявки на проект

Ознакомьтесь с примерами реального внедрения и избранными фотографиями на продуктовых платформах Enwei Electric:

• Решения в области трансформаторов для распределительных и промышленных проектов.
• Ассортимент коммутационного оборудования охватывающий средневольтные и низковольтные распределительные устройства.
• Диапазоны трансформаторов тока обеспечивающие точные измерения и защиту.
• Модульные подстанции интегрирующие трансформаторы, коммутационное оборудование и панели.