Трансформатор тока выбирают по расчётному току присоединения, а проверяют совсем по другому критерию — способен ли он передать ток короткого замыкания без искажения. Именно здесь всплывает «10% кратность», и именно здесь чаще всего выясняется, что формально подходящий ТТ защиту не обеспечивает.
Разберу методику целиком: что означают цифры в паспорте, как пересчитать кратность под реальную нагрузку, как это подтвердить по вольт-амперной характеристике и что делать, если проверка не проходит.
Почему критерий именно 10%
Полная погрешность ТТ ε складывается из токовой и угловой и определяется током намагничивания: чем ближе сердечник к насыщению, тем большая часть первичного тока уходит не в реле, а в намагничивание.
Для защит это критично не само по себе, а через ток небаланса. В дифференциальных защитах небаланс растёт линейно с погрешностью:
Iнб = kпер · kодн · ε · IкзПоэтому норматив в 10% — это не «требование к качеству измерения», а расчётная граница, за которой дифференциальная защита теряет селективность, а токовая отсечка — чувствительность. Релейщики старой школы формулировали проще: до 10% погрешности защита «видит» КЗ правильно, после — видит его искажённым.
Отсюда два практических следствия:
- для измерительных обмоток (класс 0,5 / 0,5S) нормируется погрешность при номинальном токе, и кратность к ним отношения не имеет;
- для защитных обмоток (класс 5P, 10P) нормируется как раз номинальная предельная кратность — то отношение первичного тока к номинальному, при котором полная погрешность ещё не превышает 5% или 10%.
Что означают цифры в паспорте
Запись 10P10 читается так: защитная обмотка, допускаемая полная погрешность 10%, номинальная предельная кратность 10. То есть при десятикратном первичном токе и номинальной вторичной нагрузке погрешность не выйдет за 10%.
В паспорте и на табличке указывают набор параметров, из которых считают всё остальное:
I1ном, I2ном ..... номинальные первичный и вторичный ток
kном ............. номинальная предельная кратность (число после P)
Z2ном (S2ном) .... номинальная вторичная нагрузка, Ом (или В·А при cos φ = 0,8)
класс ............ 5P или 10P для защитной обмоткиКлючевой момент, который ломает половину проверок: кратность нормируется при номинальной нагрузке, а в реальной схеме нагрузка другая. Если она меньше номинальной — ТТ работает с запасом, если больше — фактическая кратность падает, и погрешность 10% наступает раньше.
ГОСТ 7746 требует, чтобы номинальная предельная кратность и номинальная нагрузка указывались для каждой обмотки и каждого ответвления — если обмотка имеет ответвления, параметры у них разные.
Пересчёт кратности под реальную нагрузку
Пропорция следует из того, что напряжение на вторичной обмотке пропорционально произведению тока на сопротивление, а насыщение определяется напряжением:
kдоп = kном · (Z2 + Z2ном) / Zфактгде:
kдоп— допустимая кратность при фактической нагрузке;kном— паспортная номинальная предельная кратность;Z2— собственное сопротивление вторичной обмотки ТТ;Z2ном— номинальная нагрузка из паспорта;Zфакт— реальное сопротивление всей вторичной цепи.
Пример. ТТ 50/5, паспорт: kном = 9, Z2ном = 0,5 Ом, собственное сопротивление обмотки Z2 = 0,2 Ом. Фактическая нагрузка цепи — Zфакт = 0,35 Ом.
kдоп = 9 · (0,2 + 0,5) / 0,35 = 9 · 0,7 / 0,35 = 18То есть при недогруженной вторичной цепи ТТ держит погрешность до восемнадцатикратного тока вместо паспортных девяти. Обратная ситуация тоже работает: если Zфакт вдвое больше номинала, кратность падает вдвое.
Теперь полученное kдоп сравнивают с требуемым:
kтреб = Iкз.макс / I1номДля дифференциальных защит вместо простого отношения берут расчётный ток с коэффициентами (переходного режима и однотипности), но смысл тот же: требуемая кратность не должна превышать допустимую.
Как посчитать реальную нагрузку Zфакт
Нагрузка складывается из трёх частей и считается по каждой фазе отдельно:
Zфакт = Rпров + Zприб + RперRпров — сопротивление соединительных проводов. Через удельное сопротивление меди и расчётную длину:
Rпров = ρ · lрасч / qгде ρ ≈ 0,0175 Ом·мм²/м для меди (0,028 для алюминия), q — сечение жилы в мм², lрасч — расчётная длина.
Расчётная длина зависит от схемы соединения и от того, где КЗ:
| Схема | Что учитывать в lрасч |
|---|---|
| Полная звезда | сопротивление шлейфа: путь до реле и обратно |
| Неполная звезда | то же плюс сопротивление нулевого провода |
| Треугольник | ток в проводах в √3 больше, чем в реле — это входит в коэффициент схемы |
Проще всего считать не «по памяти», а от фактической трассы: длина кабеля от ТТ до панели защиты, умноженная на два, плюс запас на разделку и обходы.
Zприб — сумма сопротивлений последовательно включённых обмоток приборов и реле при расчётном токе. Для цифровых терминалов это обычно доли ома (0,1–0,5 Ом на фазу), и производитель даёт эту величину в руководстве. Для электромеханических реле сопротивление берут из справочника при токе срабатывания.
Алюминиевые жилы вместо медных — классическая причина провала проверки: сопротивление в 1,6 раза выше при том же сечении.
Rпер — переходное сопротивление контактов, клемм, наконечников, испытательных блоков. В расчётах принимают порядка 0,1 Ом на цепь. Величина неберущаяся точно, поэтому её всегда закладывают в запас, а не «оптимизируют».
Проверка по вольт-амперной характеристике
Пересчёт по паспорту корректен, пока сердечник в норме. Если ТТ работал в тяжёлых условиях, был перегружен или сердечник подмагничен, паспортная кратность не соответствует фактической — и тогда единственный способ проверить — снять ВАХ.
Порядок:
- Снять характеристику намагничивания: подавать на вторичную обмотку повышающееся напряжение и записывать ток при отключённой нагрузке.
- Сравнить полученную кривую с типовой для данного типа ТТ.
- Если снятая характеристика идёт выше типовой (или совпадает с ней) — фактическая 10% кратность не ниже паспортной.
- Если характеристика идёт заметно ниже — кратность ниже паспортной, и ТТ в этой схеме держит меньший ток КЗ, чем указано в докуменах.
Методика, известная по книге Вавина: типовую характеристику дополнительно понижают примерно на 20% по напряжению и току, и сравнивают с фактической. Если снятая кривая лежит выше даже пониженной типовой — запас есть с гарантией; если ниже обоих вариантов — ТТ выработал ресурс или повреждён.
ВАХ также показывает короткозамкнутые витки: у повреждённой обмотки ток резко растёт при малом напряжении.
Если проверка не проходит
Ситуация типовая: kдоп меньше требуемой кратности. Решения выстраиваются от дешёвого к дорогому.
1. Уменьшить Zфакт. Самое доступное — увеличить сечение проводов вторичных цепей. Переход с 2,5 мм² на 4 мм² снижает Rпров почти вдвое. Второй вариант — перенести терминал ближе к ТТ или убрать лишние приборы из последовательной цепи (амперметры, старые указательные реле).
2. Проверить, а нужна ли такая кратность. Иногда расчётная точка выбрана с перестраховкой: берётся КЗ на шинах за трансформатором, хотя замер защиты стоит на вводе. Корректно выбранная расчётная точка часто снимает проблему без затрат.
3. Использовать ТТ с большей кратностью. Замена 10P10 на 10P20 — штатное решение, но требует замены оборудования.
4. Последовательное включение двух обмоток. У ТТ с двумя защитными обмотками их включают последовательно: напряжения складываются, допустимая нагрузка удваивается. Кратность при этом не удваивается — это распространённое заблуждение, — но при неизменной реальной нагрузке запас по погрешности растёт, потому что на создание потока требуется вдвое меньшая часть ЭДС.
5. Снизить требования, если защита не критична. Для дальнего резервирования с большими выдержками иногда допускают большую погрешность. Это решение проектировщика, а не наладчика.
Что спрашивают чаще всего
«В паспорте нет Z2 — где взять?» Измерить сопротивление обмотки постоянному току микрометром или мостом и подставить вместо Z2. Индуктивная составляющая добавит погрешность в запас — для проверки это допустимо, но результат надо трактовать как оценку, а не как точный расчёт.
«Почему у двух одинаковых ТТ разная ВАХ?» Разные сердечники, разная шихтовка, разная история эксплуатации. Именно поэтому в расчётах небаланса есть коэффициент однотипности: пара ТТ никогда не идентична, и kодн = 1,0 вместо 0,5 удваивает расчётный небаланс.
«Терминал показывает нормальные токи — зачем проверять?» Терминал измеряет то, что до него дошло. Если ТТ искажает ток при КЗ, в нормальном режиме это не видно вообще: насыщение проявляется только на больших токах и при наличии апериодической составляющей.
«Как быстро проверить без ВАХ?» Никак, если нет уверенности в сердечнике. Быстрая оценка по паспорту годится для проекта; для действующей установки, где ТТ работают десятилетиями, ВАХ снимают.
Чек-лист проверки
1. Взять из паспорта: I1ном, kном, Z2ном (S2ном), класс, Z2
2. Посчитать Zфакт = Rпров + Zприб + Rпер по фактической трассе
· медь/алюминий, сечение, длина в оба конца
· сопротивление терминала и приборов при расчётном токе
· Rпер ≈ 0,1 Ом
3. Пересчитать kдоп = kном · (Z2 + Z2ном) / Zфакт
4. Определить требуемую кратность по максимальному току КЗ
5. Снять ВАХ и сравнить с типовой (с понижением на 20%)
6. Сверить полярность и правильность сборки вторичных цепей
7. Если kдоп < требуемой — уменьшать Zфакт, а не «добавлять запас в уставку»Отдельно проверяют то, что к кратности отношения не имеет, но валит защиты чаще: полярность одноимённых зажимов, целостность нулевого провода в схеме звезды и надёжность испытательных блоков. Подробнее о выборе ТТ и класса точности — в статье выбор и проверка трансформаторов тока, а о том, почему нельзя размыкать токовые цепи под током — в разборе про размыкание цепи ТТ.
Итог
10% кратность — это расчётный критерий, а не измеряемая величина. Проверка сводится к трём числам: паспортная кратность, реальная нагрузка вторичной цепи и максимальный ток КЗ в точке, для которой защита должна работать. Если первое с запасом перекрывает третье с учётом второго — ТТ годится. Если нет, то никакая уставка этого не исправит: искажённый ток защита обработает искажённо.
