Dobór przekładników do pomiarów i zabezpieczeń
Przekładnik prądowy (p.p.) jako przetwornik do zasilania przyrządów pomiarowych, mierników, przekaźników i innych podobnych aparatów charakteryzuje się tym, że w normalnych warunkach amplituda prądu wtórnego jest proporcjonalna do prądu pierwotnego, a jego faza jest praktycznie zgodna z fazą prądu pierwotnego, w przypadku odpowiedniego połączenia.
Zobacz także
mgr inż. Grzegorz Loska Zmiany wartości pomiarowej impedancji pętli zwarcia w rzeczywistych niskonapięciowych sieciach IT
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia...
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia są często znacząco różne od wartości otrzymanych na podstawie obliczeń. Mają na to wpływ czynniki związane z zastosowaną metodą pomiarową (sposób uziemienia na czas pomiarów punktu neutralnego transformatora zasilającego), a także konfiguracja samej sieci IT, w której wykonujemy pomiary, oraz...
MARITEX Leszek Łosin Sp. j. Cewki SMD w projektowaniu PCB – jak dobrać indukcyjność do aplikacji?
Cewki SMD trafiają dziś niemal na każdą płytkę drukowaną – pracują w przetwornicach DC/DC, filtrach przeciwzakłóceniowych i obwodach sygnałowych. Mimo to projektanci nierzadko dobierają je „na oko”, kierując...
Cewki SMD trafiają dziś niemal na każdą płytkę drukowaną – pracują w przetwornicach DC/DC, filtrach przeciwzakłóceniowych i obwodach sygnałowych. Mimo to projektanci nierzadko dobierają je „na oko”, kierując się samą indukcyjnością. Tymczasem o poprawnej pracy układu decyduje kilka parametrów naraz, a pominięcie któregokolwiek z nich potrafi zepsuć dopracowany projekt.
Felicity Polska Pożar magazynu energii? Zanim obwinisz baterię, sprawdź przewody
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź...
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź jest mniej sensacyjna niż nagłówek. Nowoczesny magazyn energii ma kilka warstw zabezpieczeń, które reagują, zanim zrobi się groźnie. Gdy dochodzi do pożaru, przyczyną nierzadko okazuje się nie sama bateria, lecz sposób, w jaki została podłączona. Czasem wystarczy jeden przewód mniej.
Nowa norma [1] zmienia niektóre definicje stosowane przez wiele lat w odniesieniu do p.p. Poniżej podano najważniejsze:
- znamionowe napięcie (Un) – wartość skuteczna napięcia izolacji obwodu pierwotnego,
- znamionowy prąd pierwotny (Ipn) – wartość prądu pierwotnego, do którego odniesiona jest praca przekładnika. Znormalizowane wartości tych prądów to: 10-12,5-15-20-25-30-40-50-60-75 A i ich dziesiętne krotności (podkreślono wartości zalecane),
- znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (Ith) – wartość skuteczna prądu pierwotnego, którą przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać przez 1 s,
- znamionowy prąd dynamiczny (Idyn) – wartość szczytowa prądu pierwotnego, którą przekładnik ze zwartymi uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia elektrycznego lub dynamicznego,
- znamionowy prąd wtórny (Isn) – wartość prądu wtórnego, do którego odniesiona jest praca przekładnika. Znormalizowane wartości tych prądów to: 1 A, 2 A, 5 A (podkreślono wartość zalecaną),
- oznaczenia zacisków – pokazano na rysunku 1.
- przekładnia znamionowa:
– stosunek znamionowego prądu pierwotnego do znamionowego prądu wtórnego,
- błąd prądowy (błąd przekładni) – błąd, który przekładnik wprowadza do pomiaru prądu, wynikający z tego, że przekładnia rzeczywista nie jest równa przekładni znamionowej. Jest on określony wzorem:
gdzie:
Ip – rzeczywisty prąd pierwotny,
Is – rzeczywisty prąd wtórny,
- błąd kątowy (δi) – kąt fazowy między wektorami prądów pierwotnego i wtórnego. Błąd kątowy jest określany jako dodatni, jeżeli wektor prądu wtórnego wyprzedza wektor prądu pierwotnego,
- błąd całkowity – różnica między chwilowymi wartościami prądu wtórnego pomnożonego przez przekładnię znamionową, wyrażona w procentach wartości skutecznej prądu pierwotnego:
gdzie:
Kn – przekładnia znamionowa,
Ip – wartość skuteczna prądu pierwotnego,
ip – wartość chwilowa prądu pierwotnego,
is – wartość chwilowa prądu wtórnego,
T – czas trwania jednego okresu,
- klasa dokładności – określa dopuszczalne błędy przekładnika prądowego. W zakresie dokładności norma dzieli p.p. na pomiarowe i zabezpieczeniowe. Znormalizowane klasy dokładności p.p. pomiarowych to: 0,1-0,2-0,5-1-3-5. Dopuszczalne wartości błędów prądowych i kątowych zależą od wartości prądu pierwotnego. Podano je w normie [1]. Znormalizowane klasy dokładności p.p. zabezpieczeniowych wynoszą: 5P i 10P. Wartości graniczne błędów tych przekładników podano w normie [1],
- moc znamionowa (Sn) – wartość mocy pozornej, w [VA], którą przekładnik jest zdolny zasilać przy znamionowym prądzie i obciążeniu znamionowym. Znormalizowane wartości mocy znamionowych to: 2,5-5,0-10-15-30 VA. Wartości większe mogą być stosowane w razie potrzeby,
- obciążenie p.p. (Ss) – impedancja obwodu wtórnego przy określonym współczynniku mocy. Obciążenie zwykle wyrażane jest jako moc pozorna w [VA], przy określonym współczynniku mocy,
- znamionowy współczynnik graniczny dokładności (Nn – dawniej liczba przetężeniowa) – stosunek znamionowego granicznego prądu pierwotnego, przy którym zachowana jest znamionowa klasa dokładności, do znamionowego prądu pierwotnego. Znormalizowane współczynniki graniczne dokładności: 5-10-15-20-30 podaje się tylko dla przekładników zabezpieczeniowych (po mocy i klasie, np. 30 VA, klasa 5P 10),
- współczynnik bezpieczeństwa przyrządu (FS) p.p. zastosowanego do pomiarów – stosunek znamionowego prądu pierwotnego, bezpiecznego dla przyrządu, do znamionowego prądu pierwotnego p.p. Wartość tego współczynnika podaje się tylko dla p.p. zastosowanych do pomiarów (po mocy i po klasie, np. 15 VA, klasa 0,5 FS10).
Wymagania dotyczące przekładników prądowych do pomiarów
W tabeli 1. zestawiono wymagane klasy dokładności p.p. do pomiarów w zależności od rodzaju aparatury pomiarowej. Obciążenie wtórne (Ss) zapewniające znamionową klasę dokładności p.p. zastosowanego do pomiarów, powinno spełniać warunek:
Obciążenie wtórne można wyznaczyć metodą pomiarową bądź obliczeniową. W tabeli 2. podano zależności umożliwiające obliczenie obciążenia wtórnego dla rozmaitych układów połączeń p.p. i różnych stanów pracy.W przypadku pomiarowych p.p. należy wyznaczać obciążenie wtórne dla pracy normalnej. Ze względu na dopuszczalne przeciążenia aparatury pomiarowej, znamionowy, graniczny współczynnik dokładności (Nn) dla przekładników pomiarowych nie powinien być większy od 10.
Wymagania dotyczące przekładników prądowych do zabezpieczeń
Przekładniki pomiarowe powinny umożliwić zabezpieczeniom szybkie i selektywne działanie. Wymaga się, żeby przy przetężeniach prąd był transformowany z odpowiednią dokładnością, zatem współczynnik granicznej dokładności powinien spełniać odpowiednie wymagania. W tabeli 3. podano wymagane współczynniki granicznej dokładności (Nw) oraz klasy dokładności wymagane dla rozmaitych rodzajów zabezpieczeń.
Elektroniczne przekładniki prądowe
Pomimo zalet przekładników prądowych o tradycyjnej konstrukcji, polegających na pewności ich działania, stosunkowo dobrej klasie pomiaru w warunkach ustalonych i prostocie konstrukcji, w ostatnich latach obserwuje się wzrost zainteresowania przekładnikami elektronicznymi (ECT). Wynika on z coraz szerszego stosowania cyfrowych urządzeń pomiarowych i zabezpieczeniowych. Rosnące w elektroenergetyce znaczenie nowoczesnej informatyki, wykorzystującej urządzenia cyfrowe i cyfrowy przekaz danych, stanowi również istotne uzasadnienie do stosowania elektronicznych przekładników pomiarowych.
Część pomiarowa ECT włączona jest do obwodu wysokiego napięcia, a sygnał pomiarowy przekazywany jest na ogół poprzez światłowód do urządzeń cyfrowych. Na rysunku 2. przedstawiono schemat ogólny, blokowy jednofazowego ECT. Poniżej podano ważniejsze definicje dotyczące ECT [3], które różnią się od podanych wcześniej definicji dla konwencjonalnych przekładników prądowych:
- czujnik prądu pierwotnego – urządzenie elektryczne, optyczne lub inne przeznaczone do przekazywania do obwodu wtórnego, bezpośrednio lub za pomocą przetwornika pierwotnego, sygnału odpowiadającego prądowi przepływającemu przez zaciski pierwotne,
- przetwornik pierwotny – układ przekształcający sygnał pochodzący z jednego czujnika lub kilku czujników prądu pierwotnego w sygnał dostosowany do właściwości układu transmisyjnego,
- zasilacz strony pierwotnej – zasilacz przetwornika pierwotnego i/lub czujnika prądu pierwotnego (może być wspólny z zasilaczem strony wtórnej),
- układ transmisyjny – krótkie lub długie połączenie między stroną pierwotną a wtórną przekładnika przeznaczone do przesyłania sygnału,
- przetwornik wtórny – układ przekształcający sygnał pochodzący z układu transmisyjnego w wielkość proporcjonalną do prądu między zaciskami pierwotnymi i przekazujący go do przyrządów pomiarowych oraz urządzeń pomiarowych, zabezpieczeniowych lub sterujących. W przypadku przekładników prądowych elektronicznych z wyjściem analogowym, przetwornik wtórny przekazuje sygnały bezpośrednio do przyrządów pomiarowych oraz urządzeń pomiarowych, zabezpieczeniowych lub sterujących. W przypadku przekładników prądowych elektronicznych z wyjściem cyfrowym, przetwornik wtórny jest zazwyczaj połączony z modułem integrującym, przekazującym sygnały do wyposażenia włączonego po stronie wtórnej.
- zasilacz strony wtórnej – zasilacz przetwornika wtórnego (może być wspólny z zasilaczem strony pierwotnej),
- obwód wtórny – obwód zewnętrzny odbierający sygnały informacyjne dostarczane przez przetwornik wtórny przekładnika prądowego elektronicznego,
- znormalizowany współczynnik granicznej dokładności (Kalf): 3-5-10-7,5-10-12,5-15-17,5-20-25-30-40-63-80 i ich dziesiętne wielokrotności,
- znormalizowane wartości znamionowego napięcia wtórnego (Usr), dla wyjścia analogowego (sygnałem wyjściowym z ECT jest napięcie): 22,5-150-200-225 mV – 4 V,
- obciążenie znamionowe (Rbr): 2 - 20 kΩ – 2 MΩ,
- oznaczenia zacisków (rys. 3.),
Do konstrukcji ECT wybiera się zasady działania, które eliminują następujące wady przekładników konwencjonalnych:
- materiałochłonność i związany z tym duży koszt,
- uchyby prądowe przy znacznych przetężeniach (nasycanie się p.p.),
- złe własności dynamiczne.
ECT zapewniają liniowość prądu wtórnego w szerokim zakresie jego wartości przy dużej dokładności pomiaru. Zaletą ich stosowania jest możliwość wykorzystania tego samego przekładnika do pomiarów i do zabezpieczeń, jednak tylko w przypadku współpracy z aparaturą cyfrową. Stosowane są następujące rodzaje ECT:
- cewka Rogowskiego – ECT z rdzeniem powietrznym (prąd wtórny jest pochodną prądu pierwotnego (I2=di/dt),
- optyczny czujnik prądu, którego działanie oparte na rotacyjnym efekcie Faraday’a wykorzystuje źródło światła monochromatycznego. Prąd w przewodniku wytwarza pole magnetyczne, które wirując powoduje zmianę polaryzacji światła w włóknie optycznym w proporcji do zmiany wartości prądu. Czujnik prądu łączy się z przekaźnikiem lub miernikiem za pośrednictwem światłowodu.
- czujnik prądu niskiej mocy – podobnej konstrukcji jak konwencjonalny przekładnik prądowy, lecz rdzeń żelazny jest zminimalizowany, a jego rozmiary i waga są zredukowane. Wielkością wyjściową jest napięcie proporcjonalne do prądu. Czujnik ten może się jednak nasycać, podobnie jak przekładnik konwencjonalny.
Przekładniki napięciowe
Przekładnik napięciowy (p.n.) jako przetwornik do zasilania przyrządów pomiarowych, mierników, przekaźników i innych podobnych aparatów charakteryzuje się tym, że w normalnych warunkach pracy napięcie wtórne jest proporcjonalne do napięcia pierwotnego w przypadku odpowiedniego połączenia. Przekładnik napięciowy pojemnościowy składa się z dzielnika pojemnościowego i członu indukcyjnego połączonych w taki sposób, że napięcie wtórne członu indukcyjnego jest w zasadzie proporcjonalne do napięcia doprowadzanego do dzielnika pojemnościowego (rys. 4.).
Nowa norma [2] zmienia niektóre definicje stosowane przez wiele lat w odniesieniu do przekładników napięciowych. Poniżej podano najważniejsze:
- znamionowe napięcie pierwotne (Upn) – wartość napięcia pierwotnego, która występuje w oznaczeniu przekładnika i do którego odniesiona jest jego praca. Znormalizowane wartości powinny mieć wartość jednej ze znamionowych wartości napięcia sieci określonych w IEC 38. W przypadku sieci trójfazowej wartość znamionowego napięcia pierwotnego p.n. jednofazowych łączonych między przewód fazowy a ziemię, powinna wynosić 1/√3 wartości znamionowej napięcia sieci,
- znamionowe napięcie wtórne (Usn) – wartość napięcia wtórnego, która występuje w oznaczeniu przekładnika i do którego odniesiona jest jego praca. Znormalizowane napięcia dla grupy krajów europejskich wynoszą: 100, 110 oraz 200 V (w przypadku rozbudowanych obwodów wtórnych). W sieciach trójfazowych, gdzie napięcie fazowe, pierwotne wynosi Upn/√3, znamionowe napięcie wtórne, fazowe powinno wynosić Usn/√3. Zalecane wartości znamionowe uzwojeń napięcia resztkowego, przeznaczonych do łączenia w otwarty trójkąt, podano w tabeli 4.,
- przekładnia rzeczywista – stosunek rzeczywistego napięcia pierwotnego do rzeczywistego napięcia wtórnego,
- przekładnia znamionowa (Kn) – dla p.n. indukcyjnego jest to stosunek znamionowego napięcia pierwotnego do znamionowego napięcia wtórnego:
Dla p.n. pojemnościowego jest to stosunek całkowitej pojemności dzielnika do pojemności po stronie wysokonapięciowej:
Znormalizowane wartości przekładni: 10-12-15-20-25-30-40-50-60-80- i ich dziesiętne wielokrotności,
- błąd napięciowy (błąd przekładni) – błąd, który przekładnik wprowadza do pomiaru napięcia, wynikający z tego, że rzeczywista przekładnia nie jest równa przekładni znamionowej. Błąd napięciowy wyrażany jest w procentach:
- błąd kątowy – kąt fazowy między wektorami napięcia pierwotnego i wtórnego. Błąd ten jest dodatni, jeżeli wektor napięcia wtórnego wyprzedza wektor napięcia pierwotnego,
- klasa dokładności – oznaczenie związane z dopuszczalnymi błędami w określonych warunkach pracy. Znormalizowane klasy jednofazowych p.n.: indukcyjnych; 0,1-0,2-0,5-1,0-3,0, pojemnościowych – do pomiaru 0,2-0,5-1,0-3,0, do zabezpieczeń: 3P i 6P. Wartości graniczne błędów dla poszczególnych klas określa norma,
- oznaczenia zacisków wybranych rodzajów p.n. indukcyjnych pokazano na rysunku 5.,
- obciążenie – admitancja obwodu wtórnego wyrażona w siemensach, przy określonym współczynniku mocy. Zwykle określa się obciążenie jako moc pozorną w [VA], przy znamionowym napięciu wtórnym i określonym współczynniku mocy,
- moc znamionowa (Sn) – wartość mocy pozornej, wyrażona w [VA], którą p.n. jest zdolny zasilać obwód wtórny przy znamionowym napięciu wtórnym i przy znamionowym obciążeniu. Znormalizowane wartości mocy znamionowej przy współczynniku mocy 0,8 indukcyjnym: 10-15-25-30-50-75- 100-150-200-300-400-500 VA – podkreślono zalecane wartości,
- znamionowy współczynnik napięciowy (Ku) – mnożnik, który należy zastosować do znamionowego napięcia pierwotnego w celu określenia najwyższego napięcia, przy którym p.n. powinien zachować wymaganą wytrzymałość cieplną w określonym czasie i wymaganą dokładność. Norma określa znormalizowane wartości współczynnika.
Wymagania dotyczące przekładników napięciowych do pomiarów
W tabeli 5. zestawiono klasy wymaganej dokładności p.n. oraz dopuszczalne spadki napięcia w obwodach wtórnych w zależności od rodzaju aparatury pomiarowej. Dobór p.n. ze względu na dokładność pomiaru polega na tym, żeby obciążenie wtórne spełniało warunek:
W tabeli 6. podano sposób wyznaczania obciążenia wtórnego p.n. w zależności od układu połączeń napięciowych obwodów wtórnych.Wtórne obwody napięciowe zasilane z p.n. powinny być zabezpieczone odpowiednio dobranymi bezpiecznikami topikowymi lub wyłącznikami samoczynnymi. W celu utrzymania błędu w granicach wynikających z klasy dokładności p.n. i klasy przyrządów pomiarowych, procentowy spadek napięcia w przewodach łączących p.n. z aparatem nie powinien przekraczać wartości podanych w tabeli 5. Wynika stąd ograniczenie przekroju przewodów napięciowych. Zależności określające minimalne przekroje tych przewodów podano w tabeli 7.
Wymagania dotyczące przekładników napięciowych do zabezpieczeń
Do zabezpieczeń stosuje się p.n. klasy 3P i 6P. Obciążenia p.n., w zależności od układu, należy obliczać według tabeli 6. Spadek napięcia w przewodach obwodów wtórnych nie powinien przekraczać odpowiednio 3% i 6%. Ze względu na wytrzymałość mechaniczną stosuje się przewody o przekroju nie mniejszym niż 1,5 mm2.
Obwody p.n. do zabezpieczeń powinny być zabezpieczone bezpiecznikami wyposażonymi w zestyki sygnałowe lub wyłącznikami samoczynnymi wyposażonymi w zestyki pomocnicze informujące o stanie położenia zestyków głównych. Sposób zabezpieczenia obwodów napięciowych zależy od układu obwodów wtórnych. Należy je przewidzieć dla układu:
- pełnej gwiazdy – we wszystkich przewodach fazowych,
- niepełnej gwiazdy (układ V) – w przewodach skrajnych,
- otwartego trójkąta – w jednym nieuziemionym przewodzie.
Elektroniczne przekładniki napięciowe
Poniżej podano te ważniejsze definicje dotyczące elektronicznych przekładników napięciowych EVT, które są różne od podanych wyżej definicji dla konwencjonalnych przekładników napięciowych [4]:
- czujnik napięcia pierwotnego – urządzenie elektryczne, elektroniczne lub inne, przeznaczone do przekazywania do urządzenia wtórnego, bezpośrednio lub za pomocą przetwornika pierwotnego, sygnału odpowiadającego napięciu między zaciskami pierwotnymi,
- przetwornik pierwotny – układ przekształcający sygnał pochodzący z jednego czujnika lub kilku czujników napięcia pierwotnego w sygnał dostosowany do właściwości układu transmisyjnego,
- zasilanie pomocnicze strony pierwotnej – zasilanie przetwornika pierwotnego i/lub czujnika napięcia pierwotnego (może być połączone z zasilaniem strony wtórnej),
- układ transmisyjny – krótkie lub długie połączenie między stroną pierwotną a wtórną przekładnika przeznaczone do przesyłania sygnału,
- przetwornik wtórny – układ przekształcający sygnał pochodzący z układu transmisyjnego w wielkość proporcjonalną do napięcia między zaciskami pierwotnymi w celu zasilania przyrządów pomiarowych, liczników oraz urządzeń zabezpieczających lub sterujących,
- znamionowe napięcia wtórne – poza wartościami podanymi dla konwencjonalnych p.n., stosuje się dla przekładników jednofazowych w sieci jednofazowej lub przekładników włączanych między przewody fazowe w sieciach trójfazowych oraz przekładników trójfazowych: 1,625-2-3,25-4-6,5 V. W przypadku przekładników jednofazowych przeznaczonych do włączenia między fazę a ziemię w sieciach trójfazowych, dla których znamionowe napięcie pierwotne jest liczbą podzieloną przez √3, jako znamionowe napięcia wtórne przyjmowane są następujące wartości: 1,625/√3 V – 2/√3 V – 3,25/√3 V – 4/√3 V – 6,5/√3 V. Znamionowymi napięciami wtórnymi dla zacisków przeznaczonych do połączenia w otwarty trójkąt są wartości: 1,625/3-2/3-3,25/3-4/3-6,5/3 V,
- znormalizowane, zalecane wartości mocy znamionowej – dla EVT o napięciu wtórnym ≤10 V wynoszą: 0,001-0,01-0,1-0,5 VA; dla EVT o napięciu wtórnym >10 V: 1-2,5-5-10-15-25-30 VA,
- oznaczenia zacisków (rys. 6.).
Literatura
- PN-EN 60044-1:2000 Przekładniki. Przekładniki prądowe.
- PN-EN 60044-2:2001 Przekładniki. Przekładniki napięciowe indukcyjne.
- PN-EN 60044-6:2000 Przekładniki. Wymagania dotyczące przekładników prądowych do zabezpieczeń w stanach przejściowych.
- PN-EN 60044-7:2003 Przekładniki. Przekładniki napięciowe elektroniczne.
- PN-EN 60044-8:2006 Przekładniki. Przekładniki prądowe elektroniczne.
- A. Wiszniewski, Przekładniki w elektroenergetyce, WNT, Warszawa 1982.
- J. Żydanowicz, Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa, WNT, Warszawa 1966.
- J. Żydanowicz, Elektroenergetyczna automatyka zabezpieczeniowa, t. 1., WNT, Warszawa 1979.
- S. Wyrzykowska, Pomiary i automatyka w elektroenergetycznych sieciach przemysłowych. Projektowanie, WNT, 1988.
