Когда ток в присоединении превышает допустимый ток конкретного счётчика прямого включения, применяют трансформаторное включение: измерительный трансформатор тока понижает первичный ток до вторичного номинального значения — обычно 5 А, реже 1 или 2 А. Счётчик измеряет вторичный ток, а фактическую первичную величину получают с учётом коэффициента трансформации ТТ. В современных счётчиках этот коэффициент может быть запрограммирован в самом приборе. Для распространённых трёхфазных счётчиков прямого включения верхний номинальный ток может составлять 100 А, поэтому на практике диапазон около 100 А часто является границей, после которой рассматривают трансформаторное включение. Однако универсальной нормативной границы «100 А» для перехода на ТТ нет.
- Прямое включение — до 100 А, вся нагрузка идёт через клеммы счётчика.
- Полукосвенное — ток через ТТ, напряжение напрямую; стандарт для 0,4 кВ с большими токами.
- Косвенное — и ток, и напряжение через измерительные трансформаторы (ТТ + ТН); для сетей 6–10 кВ.
- Ключевое правило выбора Ктт — ПУЭ п. 1.5.17: при максимальной нагрузке вторичный ток не менее 40 % номинала счётчика, при минимальной — не менее 5 %.
- Главная ошибка — завышенный коэффициент трансформации «на вырост»: счётчик большую часть времени работает вне нормируемого диапазона.
Когда счётчик подключают через трансформатор тока
Способ включения определяется схемой сети, параметрами счётчика, проектом и требованиями организации, принимающей узел учёта. От этого зависят состав измерительных трансформаторов, схема вторичных цепей и требования к их монтажу. Есть три основных варианта.
Прямое включение — счётчик стоит в разрыв цепи, вся нагрузка идёт через его клеммы. Применяется, пока рабочий ток не превышает допустимый ток конкретного прибора. Однофазные модели встречаются с номиналом 5–60 и 5–80 А, трёхфазные — с различными диапазонами, в том числе до 100 А. При превышении допустимого тока конкретного счётчика прямого включения его применение в таком режиме недопустимо; для большей нагрузки выбирают счётчик трансформаторного включения.
Полукосвенное включение — через трансформаторы тока работает только токовая цепь, а цепь напряжения подключается непосредственно к сети. На практике это характерно для вводов 0,4 кВ с большими рабочими токами, когда токовая цепь счётчика уже не может быть включена непосредственно в силовую цепь. Конкретная схема определяется проектом, параметрами счётчика и требованиями организации, принимающей узел учёта.
Косвенное включение — и ток, и напряжение подаются через измерительные трансформаторы (ТТ + ТН). Так строят учёт в сетях среднего напряжения, например 6–10 кВ, где цепи напряжения счётчика подключают через измерительные трансформаторы напряжения.
Требование ПУЭ по вторичному току
ПУЭ п. 1.5.17 требует, чтобы при максимальной нагрузке присоединения ток во вторичной обмотке составлял не менее 40 % номинального тока счётчика, а при минимальной рабочей — не менее 5 %. Формулировка выглядит канцелярской, но именно из неё растёт весь выбор коэффициента трансформации.
Для счётчика со вторичным номиналом 5 А это означает: при максимальной нагрузке вторичный ток должен быть не менее 2 А, при минимальной рабочей — не менее 0,25 А.
Если взять ТТ с чрезмерно большим коэффициентом, вторичный ток может оказаться ниже установленного ПУЭ диапазона. Кроме того, при малых первичных токах ТТ может работать ниже диапазона, в котором для его класса точности нормируются метрологические характеристики.
Схемы подключения
Схема подключения счётчика через трансформатор тока определяется числом ТТ и способом соединения их вторичных обмоток. Разница между вариантами — не только в количестве проводов, но и в том, какие токи попадут в прибор.
Полная звезда (десятипроводная)
Три трансформатора тока в фазах A, B, C. Начала вторичных обмоток (И1) идут к счётчику, концы (И2) собираются в общую точку, которая заземляется в одном месте. Цепи тока и напряжения разделены — отсюда название «десятипроводная»: шесть проводов на токовые цепи и четыре на напряжение.
Это распространённая схема для коммерческого учёта в четырёхпроводных сетях с нейтралью. Все три фазных тока вводятся в счётчик напрямую, фазовые сдвиги не приходится компенсировать. В обратном проводе протекает геометрическая сумма вторичных токов, которая в четырёхпроводной сети соответствует току нулевого провода, приведённому к вторичной стороне.
Неполная звезда
Два ТТ в крайних фазах A и C. Обмотки соединяются звездой, концы сводятся в общий обратный провод, ток в котором равен геометрической сумме токов двух фаз с обратным знаком:
При симметричной нагрузке по величине он равен току фазы B, а направление определяется принятой системой отсчёта и полярностью ТТ.
Схема неполной звезды применяется в определённых трёхфазных трёхпроводных сетях без нейтрали, где измерение двумя токовыми каналами принципиально возможно. Для четырёхпроводной сети с нейтралью и несимметричной нагрузкой такая схема не является универсальной заменой трёх ТТ. Поэтому конкретную схему включения необходимо выбирать по документации на счётчик и проекту узла учёта.
Для нового расчётного узла на 0,4 кВ конкретная организация, принимающая узел учёта, может устанавливать требования к схеме включения; на практике часто применяется полная звезда с тремя ТТ. Поэтому схему лучше согласовывать до монтажа.
Подробный разбор схем соединения вторичных обмоток ТТ по полной и неполной звезде, а также по треугольнику — с принципом работы, областью применения и иллюстрациями — приведён в отдельной статье «Схемы подключения трансформаторов тока».
Схема Арона
Метод двух ваттметров применяется для измерения мощности в трёхфазной трёхпроводной сети. В измерительной части используются два токовых канала; цепи напряжения подключаются к соответствующим линейным напряжениям. При трансформаторном включении конкретная схема ТТ и ТН определяется типом счётчика и схемой сети.
Схема Арона использует две измерительные системы из трёх. В трёхфазной трёхпроводной сети используются два токовых канала и соответствующие им линейные напряжения, а вклад третьей фазы определяется расчётным способом. Поэтому наличие двух ТТ не означает, что третья фаза не учитывается.
Схема работает в трёхпроводной сети без нулевого провода: в сетях 6–10 кВ с изолированной нейтралью, в трёхпроводных сетях 0,4 кВ. Для сетей 0,4 кВ с нулевым проводом не применяется.
В микропроцессорных счётчиках, поддерживающих программный выбор схемы, необходимо установить соответствующую схему включения. Если заданная схема не соответствует фактическому подключению, расчёт измеряемой мощности и энергии может выполняться некорректно.
Семипроводная схема
Семипроводная схема — вариант подключения, при котором часть вторичных цепей объединяется, что позволяет сократить количество проводов по сравнению с десятипроводной схемой. Один из распространённых вариантов предусматривает объединение одноимённых выводов И2 трёх ТТ. При этом существуют и старые схемы с совмещением токовых и потенциальных цепей; их нельзя автоматически считать эквивалентными современной семипроводной схеме.
Такие схемы встречаются в существующих узлах и должны применяться только в соответствии со схемой, предусмотренной изготовителем счётчика и проектом. Объединение вторичных цепей увеличивает взаимозависимость токовых и потенциальных цепей: неисправность общего проводника может одновременно повлиять на несколько измерительных цепей. При обрыве этого провода размыкаются все три вторичные цепи одновременно — это опасный режим для трансформаторов тока. Поэтому такую схему применяют только по проекту, а соединение контролируют при каждой проверке узла учёта.
При новом проектировании предпочтение часто отдают раздельным вторичным цепям, если это предусмотрено применяемым оборудованием и требованиями организации, принимающей узел учёта.
| Схема | Количество ТТ | Где применяется |
|---|---|---|
| Полная звезда (десятипроводная) | 3 | Трёхфазные четырёхпроводные сети, в том числе с нейтралью; расчётный и технический учёт |
| Неполная звезда | 2 | Определённые трёхфазные трёхпроводные сети без нейтрали; по схеме счётчика и проекту |
| Арона | 2 | Трёхфазные трёхпроводные сети; две измерительные системы, третья величина определяется расчётно |
| Семипроводная | Обычно 3 | Существующие и отдельные проектируемые узлы |
Полярность и маркировка выводов
У трансформатора тока маркируются обе обмотки. Первичная — Л1 и Л2, вторичная — И1 и И2. Л1 и И1 — начала, Л2 и И2 — концы. При принятой маркировке и правильном направлении первичного тока Л1→Л2 вторичный ток имеет соответствующее фазовое направление И1→И2.
Подробная расшифровка маркировки ТТ — типов ТЛО, ТОЛ, ТЛП, ТПЛ, классов точности, коэффициента безопасности FS и предельной кратности — приведена в статье «Маркировка трансформатора тока».
Что будет, если перепутать полярность одного ТТ из трёх? Счётчик получит по этой фазе ток со сдвигом 180°. При симметричной нагрузке и одинаковом фазовом сдвиге нагрузок прибор покажет примерно 1/3 фактической мощности: по «перевёрнутой» фазе мощность войдёт с минусом и вычтется из суммы двух других. При определённой несимметрии возможен и близкий к нулю результат, когда отрицательная мощность одной фазы компенсирует положительные двух других.
Обычная проверка коэффициента трансформации сама по себе не гарантирует выявление такой ошибки; для диагностики применяют проверку соответствия фаз и цепей, прозвонку вторичных цепей, контроль маркировки и полярности ТТ, а также векторную диаграмму. Неправильная полярность может существенно исказить показания и стать причиной выявления несоответствия при проверке узла учёта.
Испытательная коробка
Для проверки и безопасного обслуживания в токовые цепи ставят испытательную (клеммную) коробку. Она стоит между вторичными обмотками ТТ и счётчиком, обычно на щите учёта. Испытательная коробка позволяет безопасно закорачивать вторичные цепи ТТ, отключать токовые цепи счётчика и подключать поверочный (эталонный) измерительный прибор без отключения нагрузки, если это предусмотрено схемой и конструкцией испытательного блока. Такая организация вторичных цепей соответствует требованиям ПУЭ к сборкам зажимов и испытательным цепям, в частности п. 1.5.23.
Порядок действий при работе с токовыми цепями:
- Замкнуть вторичную цепь ТТ на испытательной коробке. Использовать штатные перемычки или испытательный блок.
- Проверить надёжность шунта. Убедиться, что вторичная цепь действительно закорочена и контакт не ослабнет в процессе работы.
- Отключить токовую цепь счётчика со стороны испытательной коробки. Только после этого можно размыкать токовые цепи счётчика.
- Выполнить работы. Проверка, поверка, замена счётчика или другие операции.
- Восстановить токовую цепь счётчика. Собрать схему в обратном порядке.
- Только после этого снять шунт с вторичной обмотки ТТ. Вторичную цепь работающего ТТ нельзя размыкать. При размыкании вторичной цепи ток во вторичной обмотке прекращается, размагничивающее действие вторичной обмотки исчезает, а магнитный поток в сердечнике резко возрастает. Из-за этого на разомкнутых выводах может возникнуть опасное высокое напряжение. Оно способно привести к пробою изоляции, дуговому разряду, повреждению ТТ и подключённого оборудования.
Заземление вторичной обмотки
Одну точку вторичной цепи ТТ заземляют для ограничения потенциала вторичных цепей относительно земли и повышения безопасности при повреждении изоляции. Вторичную цепь не следует заземлять в нескольких точках, поскольку это может создать нежелательные токи по контурам заземления. Обычно заземляют И2 или объединённую точку вторичной цепи — в зависимости от принятой схемы.
Выбор ТТ для узла учёта
Коэффициент трансформации
Практический ориентир — выбирать коэффициент так, чтобы основной рабочий диапазон нагрузки находился примерно в пределах 40–100 % первичного номинального тока ТТ. При этом окончательный выбор выполняют по максимальному и минимальному рабочему току и требованиям ПУЭ 1.5.17.
Как рассчитывается номинальный и действительный коэффициент трансформации, как влияет число проходов первичного проводника и как проверяют ТТ при испытаниях — разобрано в отдельной статье «Коэффициент трансформации трансформатора тока».
Примеры, а не готовая таблица подбора
| Расчётный рабочий ток | Типовой Ктт | Какие нагрузки |
|---|---|---|
| 40–100 А | 100/5 | вводы квартир, небольшие офисы |
| 80–200 А | 200/5 | магазины, офисные здания |
| 120–300 А | 300/5 | производственные участки, ТЦ |
| 160–400 А | 400/5 | вводы зданий, котельные |
| 240–600 А | 600/5 | промышленные присоединения |
Окончательный Ктт выбирают расчётом по диапазону рабочих токов и требованиям к узлу учёта. Учитывают максимальный рабочий ток, минимальный рабочий ток, номинальный ток счётчика, требование ПУЭ 1.5.17, класс точности, вторичную нагрузку, термическую и электродинамическую стойкость, схему включения и требования конкретной сетевой организации.
Если рабочая нагрузка объекта — 150 А, а установлен ТТ 600/5, вторичный ток при этой нагрузке составит 1,25 А:
Для счётчика с номинальным током 5 А п. 1.5.17 ПУЭ требует при максимальной нагрузке не менее 2 А:
То есть 1,25 А < 2 А — условие п. 1.5.17 ПУЭ не выполняется. Такой выбор коэффициента трансформации требует пересмотра до согласования и сдачи узла учёта.
Класс точности
Для расчётного учёта класс точности ТТ выбирают по требованиям ПУЭ, действующих правил розничного рынка, проектной документации и технических требований сетевой организации. По ПУЭ для расчётных счётчиков применяются ТТ класса точности не хуже 0,5; для технического учёта допускается класс 1,0 при выполнении установленных условий.
Для конкретной точки коммерческого учёта класс точности ТТ определяется применимыми нормативными требованиями, проектом и техническими условиями организации, принимающей узел учёта; в зависимости от требований могут применяться ТТ классов 0,5, 0,5S или 0,2S.
Одно из ключевых отличий класса 0,5S от 0,5 проявляется при малых нагрузках. Для класса 0,5 ГОСТ 7746-2015 устанавливает нормирование с 5 % номинального первичного тока, а для класса 0,5S — уже с 1 %. Поэтому класс 0,5S позволяет сохранять нормируемые метрологические характеристики в более широком диапазоне малых токов. ГОСТ 7746-2015 задаёт для класса 0,5 контрольные точки 5 %, 20 %, 100–120 %, а для 0,5S — 1 %, 5 %, 20 %, 100 %, 120 %.
Измерительная или защитная обмотка
Для цепи измерения используют измерительную обмотку требуемого класса точности, а защитную обмотку — для релейной защиты и автоматики. Это разные обмотки с разными характеристиками: измерительная нормируется в рабочем диапазоне токов (например, 0,2S или 0,5S), защитная — при больших токах КЗ (5P, 10P). Конкретный класс измерительной обмотки определяется требованиями к узлу учёта, проектом и техническими условиями.
Вторичная нагрузка ТТ и провода
Класс точности ТТ нормируется при заданных стандартом условиях и в пределах установленной для него вторичной нагрузки. При выборе необходимо проверить, чтобы фактическая нагрузка вторичной цепи соответствовала требованиям изготовителя и ГОСТ 7746-2015.
При cosφ = 1, когда вторичная нагрузка имеет активный характер, можно использовать упрощённую формулу:
Для реальной вторичной цепи учитывают её полное сопротивление и коэффициент мощности нагрузки в соответствии с методикой расчёта и требованиями ГОСТ 7746-2015. Номинальная вторичная нагрузка ТТ задаётся в В·А; ГОСТ 7746-2015 предусматривает её нормирование при установленных значениях коэффициента мощности, в том числе cosφ = 1 и cosφ = 0,8.
Для вторичного тока 5 А при cosφ = 1:
Для вторичного тока 1 А при cosφ = 1:
Отсюда видно, почему ТТ с вторичным током 1 А особенно удобны при длинных вторичных цепях: при том же сопротивлении проводов активные потери в сопротивлении проводов при 1 А примерно в 25 раз меньше, чем при 5 А. Это облегчает выполнение требований по вторичной нагрузке и сохранение заданного класса точности. ГОСТ 7746-2015 допускает вторичный номинальный ток 1, 2 и 5 А.
Сопротивление провода считается по формуле:
Сечение вторичных цепей выбирают по расчёту вторичной нагрузки, длине трассы, материалу проводника и требованиям проекта или сетевой организации. На практике для цепей измерения часто применяют медные проводники 2,5 мм² и более, а при длинных трассах — увеличенное сечение. Если не укладываетесь в номинальную нагрузку — увеличивают сечение, сокращают длину, ставят ТТ с вторичным током 1 А или берут ТТ с большей номинальной нагрузкой.
Для вводов 0,4 кВ применяют ТТ соответствующего класса напряжения, в том числе шинные исполнения на 0,66 кВ. Для ячеек КРУ 6–10 кВ применяют ТТ соответствующего конструктивного исполнения, в том числе опорные ТТ с раздельными измерительной и защитной обмотками в одном корпусе.
Отдельная процедура — подбор ТТ под конкретную ячейку КРУ 6–35 кВ. Там помимо коэффициента трансформации проверяют класс напряжения, термическую и динамическую стойкость, конструктивное исполнение и совместимость с габаритами ячейки. Пошаговый разбор с примером подбора для ввода подстанции 10 кВ — в статье «Как выбрать трансформатор тока для КРУ 6–35 кВ».
Нагрузка цепей напряжения ТН
Для узлов учёта 6–10 кВ необходимо также учитывать нагрузку вторичных цепей трансформаторов напряжения. При расчёте учитывают нагрузку подключённых приборов и потери в соединительных проводах, а также соответствие фактической нагрузки номинальной вторичной нагрузке ТН. При значительной длине линии учитывают падение напряжения и выбирают сечение проводов с учётом требований изготовителя, проекта и действующих нормативов. Поэтому для высоковольтного узла учёта проверяется не только нагрузка вторичных цепей ТТ, но и нагрузка цепей напряжения ТН.
Документы и допуск узла учёта
При организации коммерческого учёта необходимо учитывать требования к применяемым средствам измерений, их поверке и документальному оформлению измерительного комплекса. В зависимости от схемы и требований сетевой или сбытовой организации могут потребоваться паспорта и свидетельства (протоколы) поверки ТТ, ТН и счётчика, документы на измерительный комплекс, а также материалы, подтверждающие соответствие схемы проектным и нормативным требованиям. Конкретный комплект документов определяется действующими требованиями и условиями соответствующей сетевой или сбытовой организации.
Сроки и порядок поверки ТТ, действующие межповерочные интервалы и требования к внесению результатов во ФГИС «Аршин» — в статье «Поверка трансформаторов тока».
Типовые ошибки монтажа
Одна фаза включена наоборот — счётчик недосчитывает примерно 1/3 при симметричной нагрузке. Выявляют проверкой схемы, прозвонкой цепей и векторной диаграммой. Неправильная полярность может существенно исказить показания и стать причиной выявления несоответствия при проверке узла учёта.
Ток фазы A подан, напряжение — с фазы B. Ошибка может существенно исказить результат измерения, а величина и знак погрешности зависят от фазового сдвига и характера нагрузки. Выявляют такую ошибку проверкой фазировки и векторной диаграммой.
Взяли 400/5 при рабочей нагрузке 120 А — вторичный ток составляет только 1,5 А, то есть ниже требуемых для счётчика 5 А 40 %. Такой выбор не соответствует условию п. 1.5.17 ПУЭ; кроме того, при малых токах рабочая точка ТТ может находиться вне диапазона нормируемых метрологических характеристик.
Вторичную цепь ТТ заземляют в одной предусмотренной точке. Несколько точек заземления могут создать нежелательные токи по контурам заземления и внести погрешность в измерения.
Без испытательной коробки существенно усложняется безопасное выполнение операций по проверке, поверке или замене счётчика под нагрузкой. Шунтировать обмотки в разрыв клемм счётчика — небезопасно.
Чек-лист монтажника перед сдачей узла учёта
- Полярность И1/И2 на всех ТТ проверена.
- Фазы цепей тока и напряжения совпадают.
- Маркировка фаз A/B/C на первичных и вторичных цепях проверена.
- Вторичные обмотки заземлены в одной точке.
- Проверено отсутствие замкнутых контуров через несколько точек заземления во вторичных цепях.
- Испытательная коробка установлена и исправна.
- Фактическая вторичная нагрузка ТТ рассчитана и соответствует требованиям его класса точности и номинальной нагрузке.
- Сечение и длина проводов вторичных цепей проверены расчётом.
- Для узлов 6–10 кВ проверена нагрузка вторичных цепей ТН.
- Коэффициенты трансформации ТТ и ТН соответствуют проекту и внесены в настройки счётчика, если это предусмотрено его конструкцией.
- Счётчик запрограммирован под фактическую схему включения (полная звезда, неполная звезда, Арон).
- Направление энергии / импорт-экспорт проверено.
- Векторная диаграмма снята и проверена.
- Средства защиты от несанкционированного доступа и пломбирования выполнены в соответствии с требованиями сетевой организации.
- Документы о поверке ТТ, ТН и счётчика (если применяются) в наличии.
Что делать дальше
Одна из распространённых ошибок при проектировании узлов учёта 0,4 кВ — завышенный коэффициент трансформации ТТ. Объект вводят в эксплуатацию с расчётной нагрузкой 60 А, ставят 600/5 «на вырост», а через год нагрузка увеличивается до 150 А. Но проблема была заложена ещё при проектировании: при 60 А вторичный ток такого ТТ составляет всего 0,5 А, а при 150 А — 1,25 А. То есть даже после роста нагрузки до 150 А вторичный ток остаётся ниже требуемых 2 А. Пересчитывать узел дешевле до монтажа, чем после предписания.
