Посібник з проектування вимірювальних трансформаторів струму для захисту та обліку

Посібник з проектування вимірювальних трансформаторів струму для захисту та обліку

Трансформатори струму (ТС) — це прецизійні пристрої, які перетворюють первинні струми на стандартні вторинні значення для реле та лічильників. Проектування ТС полягає у поєднанні магнітних характеристик, теплових обмежень і механічної міцності для забезпечення вимог до точності в різних режимах роботи.

Швидке визначення: Проектування трансформатора струму — це інженерний процес вибору матеріалів осердя, конфігурацій обмоток і систем ізоляції для точного відтворення первинних струмів на масштабованому вторинному рівні.

Основні висновки з проекту

• Проектування ТС має відповідати стандартам IEC 61869-2 та IEEE C57.13 щодо точності, безпеки та випробувань.
• Насичення осердя, розмір навантаження та теплові характеристики визначають надійність ТТ під час пошкоджень.
• Enwei Electric пропонує розроблені ТТ, адаптовані для захисту, обліку та цифрових підстанцій.
• Зовнішні посилання від IEC, IEEE та NERC визначають специфікації, методи випробувань та протоколи технічного обслуговування.

Визначення цілей проектування

Спочатку проектувальники уточнюють, чи призначений ТТ для захисту, обліку або виконує подвійну функцію. ТТ для захисту передусім забезпечують перехідні характеристики та високу напругу коліна, щоб уникнути насичення під час пошкоджень. ТТ для обліку зосереджуються на точності в усіх діапазонах навантаження. Умови навколишнього середовища, обмеження щодо монтажу та інтеграція з комутаційним устаткуванням впливають на вибір геометрії та ізоляції.

Основи магнітного кола

Осьове ядро утворює магнітне коло, яке спрямовує магнітний потік, створений первинним струмом. Площа поперечного перерізу осердя та довжина магнітного шляху визначають струм намагнічування та характеристики насичення. Розробники використовують матеріали з високою проникністю, щоб мінімізувати струм намагнічування, забезпечуючи відповідність вторинного струму формі хвилі первинного струму.

Повітряні зазори, які часто є небажаними, можуть бути спеціально введенні в спеціальних ТС для контролю насичення. Однак зазори збільшують струм намагнічування та знижують точність, тому їх необхідно ретельно моделювати.

Узгодження зі стандартами та посилання

• IEC 61869-2:2012 — Встановлює класи точності, теплові межі та методики випробувань. Джерело: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Охоплює вимоги до вимірювальних трансформаторів у Північній Америці. Джерело: IEEE
• NERC PRC-005 — Визначає інтервали технічного обслуговування компонентів систем захисту. Джерело: NERC

Дотримання вимог гарантує, що трансформатори струму відповідають глобальним очікуванням щодо точності та вимогам регуляторних перевірок.

Розрахунки конструкції осердя

Конструктори розраховують площу поперечного перерізу осердя за допомогою максимальної густини магнітного потоку, дозволеної для обраного матеріалу, враховуючи первинний струм, коефіцієнт трансформації та частоту. Густина магнітного потоку повинна залишатися нижче порогу насичення в умовах максимальних аварійних режимів.

Напругу в точці згину обчислюють на основі характеристик осердя та коефіцієнта трансформації, забезпечуючи, щоби захисні ТС зберігали вихідну напругу при великому навантаженні вторинних ланцюгів. Інженери також визначають струм намагнічування та криві збудження для перевірки точності в межах заданих класів.

Врахування обмоток і навантаження

Конструювання вторинної обмотки передбачає вибір перерізу провідника та кількості витків для отримання бажаного коефіцієнта трансформації з одночасною можливістю витримувати теплові навантаження. Опір обмотки та розсіювання реактивності впливають на загальне навантаження і мають бути мінімальними.

Розрахунки навантаження включають підключені пристрої — лічильники, реле — а також опір проводів. Загальне навантаження має залишатися нижче номінального значення для збереження точності. Деякі конструкції передбачають наявність кількох вторинних обмоток для окремих кіл захисту та обліку.

Вибір матеріалу осердя та обмотки

Для вимірювальних трансформаторів струму, призначених для захисту, часто використовують текстуровану кремнієву сталь або нанокристалічні матеріали із високою густиною магнітного потоку насичення. У трансформаторах для вимірювань можуть застосовуватися аморфні сплави для підвищення точності при малих струмах. Ізоляція вторинної обмотки виконується з емальованого мідного дроту, доповненого шарами епоксиду, Майлару або Номексу залежно від класу напруги.

Конструкція передбачає наявність несучих елементів, затискних рам і заливки смолою для витримування зусиль при короткому замиканні. Трансформатори для зовнішнього використання потребують герметичних корпусів, тоді як внутрішні моделі інтегруються в комірки комплектних розподільчих пристроїв.

Теплові та механічні характеристики

ТТ генерують тепло через втрати в міді та гістерезис сердечника. Теплове моделювання забезпечує зростання температури в межах обмежень МЕК. Конструктори можуть використовувати литий епоксидний або маслонаповнений корпус для ефективного відведення тепла.

Сили короткого замикання можуть перевищувати кілька кН, особливо в застосунках з великим струмом. Каркаси ТТ, опорні кронштейни та ізоляція повинні витримувати механічні навантаження, щоб уникнути деформації або пошкодження ізоляції.

Тестування та валідація

Прототипи ТТ проходять звичайні, типові та спеціальні випробування: перевірку точності коефіцієнта трансформації, перевірку полярності, випробування ізоляції, стійкість до струму короткого замикання протягом короткого часу та вимірювання часткових розрядів. Криві намагнічування підтверджують напругу коліна, а випробування на нагрівання підтверджують теплову конструкцію.

Цифрові інструменти моделювання, такі як метод скінченних елементів (МСЕ), допомагають у перевірці розподілу магнітного потоку та механічних напружень перед проведенням фізичних випробувань. Лабораторії Enwei Electric реєструють дані для підтвердження відповідності технічним вимогам клієнтів та міжнародним стандартам.

Контрольний список інженера для проектування трансформатора струму

• Визначте сферу застосування: захист, вимірювання або комбінована.
• Виберіть матеріал осердя та визначте площу поперечного перерізу, щоб уникнути насичення.
• Розрахуйте коефіцієнт трансформації, напругу коліна та намагнічуючий струм.
• Оцініть навантаження, включаючи під’єднані пристрої та проводку.
• Спроектуйте ізоляцію, систему тепловідведення та механічні опори для робочого середовища.
• Заплануйте перевірочне тестування відповідно до IEC 61869-2 та IEEE C57.13.

Досвід компанії Enwei Electric у розробці ТС

Enwei Electric виробляє трансформатори струму середньої та низької напруги з можливістю налаштування коефіцієнтів трансформації, класів точності та ізоляційних систем. Перегляньте варіанти продуктів на https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Інтеграція з комутаційним обладнанням ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) та трансформатори ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) забезпечує цілісну роботу системи.

Часті запитання інженерів щодо конструкції трансформаторів струму

Як запобігти насиченню ТТ під час пошкодження?

Спроектуйте високу напругу коліна, вибравши відповідний матеріал осердя, збільшивши кількість витків і контролюючи навантаження, щоб залишатися в межах номінальних значень.

Чи може один ТТ виконувати функції як захисту, так і обліку?

Так, із подвійними вторинними обмотками, розробленими для різних класів точності, але необхідне ретельне управління навантаженням, щоб уникнути взаємного впливу.

Яку конструкторську підтримку пропонує Enwei Electric?

Enwei Electric надає інженерні послуги з експлуатації, вибір коефіцієнта трансформації та перевірочне тестування для поставки ТТ, адаптованих до потреб захисту або обліку.

Заклик до дії: Спроектуйте прецизійні ТТ разом із Enwei Electric

Надійна конструкція вимірювального трансформатора струму має важливе значення для точних вимірювань і надійного захисту. Співпрацюйте з Enwei Electric, щоб отримати розроблені рішення з трансформаторів струму, тестування та підтримку інтеграції систем. Зв’яжіться з Enwei Electric уже сьогодні, щоб прискорити реалізацію свого проекту з розробки трансформаторів струму.

Програми проектів

Перегляньте приклади реального впровадження та вибрані зображення з різних центрів продуктів Enwei Electric:

• Рішення для трансформаторів для розподільних та промислових проектів.
• Портфоліо комутаційного обладнання охоплює середньо- та низьковольтні пункти керування.
• Асортимент трансформаторів струму забезпечує точне вимірювання та захист.
• Модульні підстанції які інтегрують трансформатори, комутаційне обладнання та панелі.