Измерительные трансформаторы в цепях учета

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Возобновляемые источники энергии

и электрические системы и сети»

ИНСТРУКТИВНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

 

по проведению

 

 

ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ №7

по дисциплине «Электроснабжение»

 

на тему:

 

«Измерительные трансформаторы в цепях учета»

 

 

Севастополь

Практическое занятие №7

 

по дисциплине «Электроснабжение»

 

Тема: измерительные трансформаторы в цепях учета.

 

Цель: проверить и закрепить теоретические знания, полученные студентами, обучить их методам решения практических задач по выбору измерительных трансформаторов в цепях учета.

ПЛАН

практического занятия № 7

Вводная часть – устный опрос

Основная часть – решение задач

а) решение задачи №1

б) решение задачи №2

в) решение задачи №3

Заключительная часть - выдача задания на самостоятельную подготовку, подведение итогов

В результате проведения практических занятий студенты должны:

ЗНАТЬ:

– ответы на вопросы, подлежащие закреплению на практическом занятии;

– методы определения правильности выбора трансформаторов тока в цепях учета.

УМЕТЬ:

- решать задачи по определению правильности выбора трансформаторов тока

 

 

ОРГАНИЗАЦИОННО – МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по проведению практического занятия №7

 

1. Объявляется тема занятия

2. Формулируется цель занятия

3. Осуществляется опрос для проверки подготовленности студентов к занятию.

4. Проводится решение задач

5. Обсуждаются результаты решения задач

6. Выдается задание на самостоятельную работу

7. Подводятся итоги

 

 

 

 

Практическое занятие №7

Измерительные трансформаторы в цепях учета

 

Теоретические сведения.

 

Непосредственное включение счетчиков в цепи высокого напряжения и при больших токах в цепях до 1000В затруднительно по техническим причинам и недопустимо по условиям техники безопасности. Для этой цели служат измерительные ТТ и ТН. ТТ для измерения больших токов в цепях до 1000В и во всех случаях в цепях выше 1000В. Вторичные обмотки ТТ выполнены на стандартные токи 1,5; 5,0; 10А. Наиболее применяемые – на 5А.

Рассмотрим кратко некоторые вопросы, касающиеся применения измерительных трансформаторов для учета электроэнергии.

У трансформаторов тока начало и конец первичной обмотки обозначаются индексами Л1 и Л2 (линия), а начало и конец вторичной обмотки – соответственно И1 и И2 (измерение). Зажимы Л1 и И1 однополярны. Это значит, что направление тока во внешней цепи, подключенной к зажимам И1 и И2, совпадает с направлением тока в первичной цепи Л1-Л2. Так, если зажим Л1 является генераторным, то генераторным будет и зажим И1. В распределительных устройствах принято устанавливать трансформаторы тока зажимом Л1 в сторону сборных шин. Тогда зажим И1 является генераторным при положительном направлении мощности. У встроенных трансформаторов тока однополярными являются верхний зажим первичной цепи («верх») и зажим А вторичной обмотки.

На паспортной табличке трансформатора тока указывается его коэффициент трансформации в виде отношения номинальных первичного и вторичного токов. Номинальный вторичный ток трансформаторов тока обычно равен 5А. В некоторых случаях для электроустановок 110 кВ и выше изготавливают трансформаторы тока с номинальным током вторичной обмотки 1А. Номинальный ток счетчика должен соответствовать номинальному току вторичной обмотки трансформатора тока. Вторичные обмотки трансформаторов тока при косвенном и полукосвенном включении счетчиков (с раздельным присоединением цепей напряжения) должны заземляться.

Как известно, обычно трансформатор тока выбирается с условием, чтобы его вторичный ток не превышал 110% номинального. С другой стороны, трансформаторы тока, выбранные с завышенными коэффициентами трансформации с учетом тока КЗ, при малых вторичных токах имеют повышенные погрешности. Согласно ПУЭ при максимальной нагрузке присоединения вторичный ток должен составлять не менее 40% от номинального тока счетчика, а при минимальной нагрузке – не менее 5%.

Пример 1. Необходимо выполнить учет электроэнергии на силовом трансформаторе 630 кВА, 10/0,4 кВ. Мощность нагрузки трансформатора изменяется от 80 кВА (минимальной) до номинальной. Ячейка трансформатора оборудована трансформаторами тока с К₁=100/5. Требуется проверить их пригодность (правильно ли выбраны ТТ).

Номинальный первичный ток трансформатора по стороне 10 кВ

Ток минимальной нагрузки

Вторичный ток при номинальной нагрузке

Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Вторичный ток при минимальной нагрузке

Отношение вторичного тока к номинальному в процентах составит:

Таким образом трансформатор тока нужно заменить трансформатором тока с К₁=75/5 или 50/5.

Встречаются случаи, когда трансформаторы тока, выбранные с учетом тока КЗ или характеристик релейной защиты, не обеспечивают точность учета из-за завышенного коэффициента трансформации. Это обстоятельство вынуждает устанавливать дополнительный комплект трансформаторов тока или переносить счетчики в другую точку сети. Так, для линии, отходящей от шин подстанции и принадлежащей потребителю, счетчики допускается устанавливать не на питающем, а на приемном конце (вводе) у потребителя. На силовых трансформаторах допускается установка счетчиков со стороны низшего напряжения.

Действительный коэффициент трансформации трансформатора тока несколько отличается от номинального, а вектор вторичного тока образует с вектором первичного тока некоторый угол. Другими словами, трансформатор тока обладает погрешностью по току и по углу. Наибольшая допускаемая погрешность определяет класс точности трансформатора тока. Согласно класс точности трансформаторов тока для присоединения расчетных счетчиков трансформаторов тока должен быть не ниже 0,5. Для присоединения счетчиков технического учета допускается использование трансформаторов тока класса 1,0 и менее точных встроенных трансформаторов тока.

Погрешность трансформатора тока зависит от его нагрузки.

Наибольшая нагрузка, при которой погрешность не выходит за пределы класса точности, указывается в паспортной табличке. Например, для трансформаторов тока типа ТПЛ нагрузка обмотки класса 0,5 не должна превышать 0,4 Ом. Нагрузка трансформатора тока определяется полным сопротивлением его внешней вторичной цепи. Сюда входят сопротивления всех последовательно включенных приборов, а также соединительных проводов и переходных контактов. В практических расчетах допускается арифметическое сложение полных сопротивлений, что создает расчетный запас.

Как правило, цепи измерения и учета выполняются отдельно от цепей релейной защиты. Лишь в случаях, когда такое разделение требует установки дополнительных трансформаторов тока, допускается их совместное присоединение. При этом не должны изменяться класс точности трансформаторов тока и необходимые характеристики релейной защиты.

Отсюда, в частности, следует, что ряд реле и устройств с большим сопротивлением не может быть включен в цепи учета. Таковы индуктивные реле тока и мощности, реле прямого действия, быстронасыщающиеся трансформаторы и содержащие их устройства и др.

Сопротивления обмоток измерительных приборов и реле приводятся в заводских каталогах и в справочной литературе. Недостающие данные могут быть получены путем измерения. Если указана потребляемая мощность прибора Р_п, то сопротивление Z_п находится по формуле

, (1)

где I_п –номинальный ток прибора или минимальная уставка реле по току.

Сопротивление соединительных проводов определяется по формуле

(2)

где ℓ - длина провода между трансформатором тока и счетчиком, м; γ - удельная проводимость; для меди γ = 53 м/(Ом·мм²), для алюминия γ = 32 м/(Ом·мм²); s- сечение провода, мм².

В токовых цепях сечение медных проводов должно быть не менее 2,5 мм², алюминиевых – не менее 4 мм².

Переходное сопротивление R_к принимают равным 0,1 Ом.

Для схемы соединения трансформаторов тока «неполная звезда» расчетная нагрузка Z_н.расч. определяется по приближенной формуле

(3)

где Z_п.ф. – сопротивление реле и приборов, включенных в фазный провод; Z_п0. – сопротивление реле и приборов, включенных в нулевой провод.

Для схемы соединения «полная звезда»

(4)

Пример 2. Во вторичные обмотки трансформаторов тока ТПЛ-10, соединенные в неполную звезду, включены счетчик активной энергии САЗУ-И670, счетчик реактивной энергии СР4У-И673 и амперметр Э-30. Счетчики расположены в шкафу учета. Длина контрольного кабеля 15м. Жилы медные сечением 2,5мм². Определить вторичную нагрузку трансформаторов тока.

Сопротивление соединительных проводов по (2)

(5)

Сопротивления приборов приведены в таблице 1.

Таблица 1

Приборы	Тип	sn, В·А	Сопротивление, Ом
zп,ф	zпо
Амперметр Счетчик Счетчик	Э-30 САЗУ-И60 СР4У-И673	0,4 0,4	- 0,015 0,15	0,04 - 0,015
Итого			0,03	0,055

 

 

Суммарная расчетная нагрузка по (3)

При допустимом z_н=0,4 Ом.

Параллельные обмотки счетчиков в сети напряжением выше 1000 В питаются от трансформаторов напряжения. Для этой цели применяются как трехфазные, так и группы однофазных трансформаторов напряжения. Вторичное междуфазное напряжение у них равно 100 В. Таким же должно быть и номинальное напряжение подключаемых к ним счетчиков.

Принятые обозначения вводов трехфазного трансформатора напряжения для стороны высокого напряжения – А, В, С, 0 и для стороны низкого напряжения – соответственно – а, в, с, 0. Трансформатор имеет нулевую группу соединения, т.е. одноименные векторы первичных и вторичных напряжений совпадают (если пренебречь погрешностью).

На рис. 1 два однофазных трансформатора напряжения соединены по так называемой схеме открытого треугольника (не следует путать с разомкнутым треугольником!).

 

Эта схема обеспечивает симметричные трехфазные напряжения U_аb, U_bс, U_са, поэтому она предназначена для питания приборов и реле, включенных на междуфазное напряжение.

Вторичные обмотки трансформаторов напряжения подлежат заземлению. У трехфазных трансформаторов напряжения заземляется либо нулевая точка, либо вывод фазы b. В открытом треугольнике заземляется общая точка вторичных обмоток трансформаторов, которая должна соответствовать вторичным выводам, соединенным между собой и подключенным к «средней» фазе.

Трансформаторы напряжения обладают погрешностью по напряжению и углу, обусловленной падением напряжения в обмотках от токов нагрузки. Погрешность по напряжению проявляется в уменьшении вторичного напряжения при нагрузке. Угловая погрешность характеризуется некоторым углом между векторами первичного и вторичного напряжения. Значения погрешностей зависят от мощности нагрузки трансформатора напряжения. Чем оно больше, тем больше токи в обмотках. Пропорционально этим токам увеличиваются падения напряжения в обмотках.

Предельно допустимые падения напряжения трансформатора определяют его класс точности. Для каждого класса точности устанавливается номинальная мощность S_ном. Обычно для трансформатора напряжения устанавливается два или три класса точности и две или три соответствующие им номинальные мощности. Таким образом, трансформатор напряжения в зависимости от нагрузки может работать в различных классах точности.

Согласно ПУЭ класс точности трансформаторов напряжения для питания расчетных счетчиков должен быть не ниже 0,5. Допускается использование трансформаторов напряжения класса точности 1,0 для включения класса точности 2,0 и менее точных. Для счетчиков технического учета допускается класс точности трансформатора напряжения ниже 1,0.

Для того чтобы выяснить, работает ли трансформатор напряжения в требуемом классе точности, необходимо выполнить расчет его нагрузки. Порядок расчета следующий.

По данным исполнительной схемы составляется перечень измерительной и релейной аппаратуры, подключенной к цепям напряжения. Должно быть отмечено, к каким фазам подключен каждый аппарат. В перечень включается только аппаратура, находящаяся под напряжением постоянно. Заносятся данные о потребляемой мощности S_п каждого аппарата, выраженной в вольт-амперах. В справочной литературе потребляемая мощность обычно дается при U_ном=100 В; но может быть дана и при других значениях напряжения. Для аппаратуры, включенной на линейное напряжение, мощность приводится к напряжению 100В, а для аппаратуры, включенной на фазное напряжение – к фазному напряжению 100/ В. Пересчет осуществляется по формуле

(6)

где S_п- потребление при расчетном напряжении U_п; - потребление, заданное при напряжении .

Если известно сопротивление Z_П прибора, то потребляемая мощность определяется по выражению

(7)

Для счетчиков в справочной литературе обычно дается потребление активной мощности Р_сч в ваттах. Принимая cosφ=0,38, можно определить потребление полной мощности S_сч по выражению

(8)

Если данные о потребляемой мощности отсутствуют, они могут быть получены путем измерений.

Путем арифметического суммирования одноименных междуфазных нагрузок определяются нагрузки S_аb, S_bс, S_са.

При соединении трансформаторов напряжения в открытый треугольник мощность нагрузки S_ТН каждого из них определяется по формуле

(9)

где - наибольшая и наименьшая мощности междуфазной нагрузки. Определенная таким образом мощность нагрузки не должна превышать номинальной для требуемого класса точности.

Для трехфазного трансформатора напряжения определяется мощность нагрузки S_ТН каждой из фаз по формуле

(10)

а в случае наличия S_ф, включенной на фазное напряжение,

. (11)

Из трех вычисленных таким образом нагрузок берется наибольшая S_ТНmax, и проверяется неравенство

. (12)

 

Согласно ПУЭ сечение и длина проводов и кабелей в цепях напряжения расчетных счетчиков выбираются таким образом, чтобы потери напряжения в этих цепях составляли не более 0,25% номинального напряжения при питании от трансформатора напряжения класса точности 0,5 и не более 0,5% при питании от трансформатора напряжения класса точности 1,0. Потеря напряжения до счетчиков технического учета должна составлять не более 1,5%. При номинальном напряжении 100 В потеря напряжения в вольтах численно совпадает с потерей напряжения в процентах.

Падение напряжения в проводах может быть определено путем следующего расчета.

Определяется сопротивление одной жилы контрольного кабеля или соединительного провода по формуле (2). В цепях напряжения сечение s медных жил должно быть не менее 1,5 мм², алюминиевых – не менее 2,5 мм².

Определяется мощность нагрузки S_ТН наиболее загруженной фазы трансформатора напряжения по формулам (5)-(7).

Определяется ток нагрузки I_ТН этой фазы:

(13)

Определяется падение линейного напряжения ΔU для трехфазного трансформатора напряжения:

(14)

для двух трансформаторов напряжения, соединенных в открытый треугольник при нагрузке, близкой к чисто индуктивной,

(15)

Пример 3. В цепь трансформатора напряжения НТМИ-10 (класс точности 0,5 при 120 ВА) включены три счетчика активной энергии САЗУ-И670, три счетчика реактивной энергии СР4У-И673, киловольтметр Э-378 и реле времени ЭВ-245. Киловольтметр и реле включены на напряжение U_ас. Приборы соединены с трансформатором напряжения контрольным кабелем длиной 35м. Жилы алюминиевые сечением 2,5 мм². Определить нагрузку на трансформатор напряжения и падение напряжения в кабеле.

Составляется сводная таблица нагрузок (табл. 2).

 

 

Таблица 2

Прибор	Тип	Sп, ВА	Количество катушек, шт.	Количество приборов, шт.	Междуфазная нагрузка, ВА
Sаb	Sbс	Sса
Счетчик активной энергии	CАЗУ-И670	3,94			11,8	11,8	-
Счетчик реактивной энергии	СР4У-И673	7,88			23,6	23,6	23,6
Киловольтметр	Э-378	1,5			-	-	1,5
Реле	ЭВ-245				-	-
Итого					35,4	35,4	40,1

 

Наиболее загружена фаза с. Мощность ее нагрузки по (10)

Расчетная нагрузка трансформатора напряжения

,

т.е. не превышает допустимую.

Сопротивление провода по (2)

Ток нагрузки в фазе с

Падение напряжения в соединительных проводах (14)

,

что недопустимо.

Поэтому необходимо увеличить сечение провода. Это можно добиться, сдваивая для каждой фазы жилы в соединительном кабеле. Тогда s=5 мм².

или 0,25%, что равно допустимой потере напряжения.

Вторичные цепи трансформатора напряжения защищаются автоматическими выключателями или предохранителями. Они должны быть снабжены устройством сигнализации, срабатывающей при всех видах нарушения исправности цепей напряжения.

 

Литература

1. Головкин П.И. Энергосистема и потребители электрической энергии М.: Энергия, 1973. 168с.

2. Красник В.В. 101 способ хищения электроэнергии. – М., изд-во НЦ ЭНАС, 2005г. – 112с.

 

Варианты для самостоятельного выполнения задания

1. Проверить правильно ли выбраны трансформаторы тока при выполнении учета электроэнергии на силовом трансформаторе.

 

№ п/п	Мощность трансформатора, кВА	Мощность нагрузки изменяется от указанной до номинальной	Коэффициент трансформации тр-ра тока
	100, 10/0,4 кВ		50/5
	160, 10/0,4 кВ		75/5
	250, 10/0,4 кВ		100/5
	400, 10/0,4 кВ		25/5
	630, 10/0,4 кВ		50/5
	1000, 10/0,4 кВ		75/5
	1600, 10/0,4 кВ		100/5
	400, 10/0,4 кВ		25/5
	160, 10/0,4 кВ		50/5
	250, 10/0,4 кВ		75/5
	400, 10/0,4 кВ		100/5
	630, 10/0,4 кВ		25/5
	1000, 10/0,4 кВ		50/5
	1600, 10/0,4 кВ		75/5
	100, 10/0,4 кВ		100/5
	160, 10/0,4 кВ		25/5
	250, 10/0,4 кВ		50/5
	400, 10/0,4 кВ		75/5
	630, 10/0,4 кВ		100/5
	1000, 10/0,4 кВ		100/5
	1000, 10/0,4 кВ		50/5
	100, 10/0,4 кВ		25/5
	160, 10/0,4 кВ		100/5
	250, 10/0,4 кВ		25/5
	400, 10/0,4 кВ		50/5
	630, 10/0,4 кВ		75/5
	1000, 10/0,4 кВ		100/5
	1600, 10/0,4 кВ		50/5
	1000, 10/0,4 кВ		50/5
	630, 10/0,4 кВ		50/5

 

 

2. Определить нагрузку на трансформатор напряжения и падение напряжения в кабеле. Сравнить с допустимыми значениями.

 

№п/п	Междуфазная нагрузка, ВА	Длина кабеля до трансформатора напряжения, м	Сечение кабеля, мм2
Sаb	Sbс	Sса
	33,2	33,2	38,7		2,5
			48,5		2,5
	43,7				2,5
		32,4	32,4		2,5
		34,5	34,5		2,5
	41,2	37,6	37,6		2,5
		35,5	35,5		2,5
	32,8	32,8	44,3		2,5
					2,5
	42,3	37,7	37,7		2,5
	38,2	38,2	44,6
	35,3	35,3	40,4
	33,6	33,6	40,7
	43,2	43,2	50,5
	32,5		45,5
	36,5	36,5	42,1
	33,6	33,6	41,5
	42,5	38,7	38,7
	38,2	38,2	44,6
	35,3	35,3	40,4
	39,6	32,1	32,1
	38,4	38,4	42,4
	43,4	37,2	37,2
	34,5	34,5	40,6
	36,2	36,2
	33,5	33,5	47,6
	32,4	32,4	45,6
	36,7	36,7	48,5
			50,6