Расчет нагрузки для потенциальных трансформаторов: пошагово

Потенциальные трансформаторы (PT) являются критически важными компонентами в энергетических системах, предназначенными для понижения высоких напряжений системы до управляемых уровней для измерительных, защитных и управляющих устройств. Их точность и производительность сильно зависят от нагрузки — общего электрического нагрузки, наложенной на их вторичную обмотку подключенными устройствами (например, счетчиками, реле, преобразователями) и соединительными проводами. Превышение номинальной нагрузки PT может привести к значительным ошибкам измерения, что ставит под угрозу надежность системы.

Этот гид разбивает процесс расчета нагрузки на четкие, практические шаги с объяснениями ключевых понятий, формул и практических соображений.

Нагрузка (измеряемая в вольт-амперах, VA) относится к общей видимой мощности, потребляемой всеми устройствами, подключенными к вторичной обмотке трансформатора напряжения, включая:

PTs оцениваются для конкретной нагрузки (например, 50 VA, 100 VA) при заданном коэффициенте мощности (обычно 0.8 с запаздыванием). Расчет фактической нагрузки обеспечивает ее соответствие этому значению для поддержания точности.

Первый шаг - перечислить все устройства, подключенные к вторичной обмотке трансформатора. К ним могут относиться:

: Энергометры, вольтметры, измерители коэффициента мощности.

: Реле перенапряжения, реле пониженного напряжения, дистанционные реле.

: Индикаторные лампы, преобразователи для систем SCADA.

: Предохранители, клеммные колодки, переключатели.

Примечание: Даже небольшие устройства (например, индикаторные лампы) вносят вклад в нагрузку и должны быть включены.

Для каждого устройства получите его номинальную нагрузку (в ВА) из технических данных производителя или с табличек. Это значение представляет собой видимую мощность, которую устройство потребляет при своем номинальном напряжении (обычно 110 В или 220 В для вторичных обмоток трансформаторов напряжения).

Ключевые детали для записи:

Пример:

Каждое устройство имеет нагрузку, равную его номинальному VA при вторичном напряжении PT. Для большинства устройств это напрямую указывается производителем (например, "10 VA при 110 V").

Если рейтинг устройства указан при другом напряжении, преобразуйте его, используя формулу: VAPT вторичный=VArated×(Vdevice рейтинг напряженияVPT вторичный)2

Пример: Реле с номиналом 15 VA при 220 V, подключенное к вторичному обмотке 110 V PT: VA110V=15×(220110)2=15×0.25=3.75VA

Соединительные провода (выводы) между вторичными клеммами PT и устройствами вводят сопротивление (R) и реактивное сопротивление (X), которые потребляют дополнительные ВА. Эта "нагрузка на выводы" должна быть добавлена к общему значению.

Сопротивление зависит от материала провода (медь/алюминий), длины (L, в метрах) и площади поперечного сечения (A, в мм²):R=ρ×AL

 = сопротивление (медь: 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m; алюминий: 2.82 × 10⁻⁸ Ω·m).

Для вторичных цепей низкого напряжения (вторичные обмотки трансформаторов: 110–220 В) реактивное сопротивление часто незначительно при 50/60 Гц, но для длинных проводов используйте: X=2πfL×10−3

= системная частота (50 Гц или 60 Гц).

= индуктивность на метр (≈ 0.5 μH/m для одножильных кабелей в воздухе).

Упрощение: Для коротких проводников (< 50 м) реактивное сопротивление часто игнорируется, и учитывается только сопротивление.

Общий ток (I) во вторичной цепи определяется общей нагрузкой устройства (из Шага 3):I=PT Вторичное Напряжение (V)Общая Нагрузка Устройства VA

Потеря мощности наводки (ВА) составляет: Lead VA=I2×(R+X)

Пример:

I=35/110≈0.318A.

=1.72×10−8×(30/1.5×10−6)≈0.344Ω.

Общая нагрузка - это сумма:

Примечание по векторному суммированию: Для высокоточных приложений (например, измерение доходов) нагрузки устройств следует суммировать как векторы (учитывая углы фаз от коэффициентов мощности). Для защиты или общих целей арифметическое суммирование приемлемо (консервативно, так как оно слегка переоценивает).

PTs указаны с номинальной нагрузкой (например, 50 VA, 100 VA) и максимальной нагрузкой (часто 125% от номинальной). Общая рассчитанная нагрузка должна быть ≤ номинальной нагрузке для точности или ≤ максимальной нагрузке для краткосрочной эксплуатации.

Если общий груз превышает номинальный груз:

Включите запас безопасности (обычно 10–20%), чтобы учесть:

Давайте рассмотрим практический пример:

: 10 + 20 + 5 = 35 VA (арифметическая сумма).

:R=1.72×10−8×(40/2.5×10−6)≈0.275Ω.

: I=35/110≈0.318A.

: I2×R=(0.318)2×0.275≈0.028VA.

: 35 + 0.028 ≈ 35.028 ВА.

: 50 ВА (предполагается).

: 35.028 VA ≤ 50 VA → Приемлемо.

: Для критически важных приложений суммируйте нагрузки с использованием векторного сложения (Stotal=(Ptotal)2+(Qtotal)2, где P=VA×pf, Q=VA×1−pf2).

: Сопротивление свинца увеличивается с температурой (используйте удельное сопротивление при 20°C для расчетов, затем скорректируйте, если известна рабочая температура).

: Если вторичные цепи PT питают несколько параллельных цепей, рассчитайте нагрузку каждой цепи и суммируйте их.

Расчет нагрузки обеспечивает работу PT в пределах их номинальных значений, поддерживая точность в измерении, защите и управлении. Систематически учитывая нагрузки устройств, потери в проводах и запас прочности, инженеры могут оптимизировать выбор PT и производительность системы. Всегда перепроверяйте с техническими характеристиками производителя и соответствующими стандартами (например, IEC 61869-3, ANSI C57.13).