ВАХ — вольт-амперная характеристика — это, пожалуй, самая информативная проверка трансформатора тока, которую выполняет электролаборатория или служба РЗА при приёмо-сдаточных испытаниях и в эксплуатации. По одной кривой намагничивания наладчик может оценить техническое состояние обмоток, состояние магнитопровода и пригодность вторичной обмотки к работе (в первую очередь — защитной) при токе короткого замыкания.

В этой статье разберём, что такое ВАХ, как её снимают по РД 153-34.0-35.301-2002, как точка перегиба связана с классами точности 5P/10P — и почему для проверки нужны заводские кривые от производителя. Запросить их у нас можно в один клик — об этом в конце.

Что такое ВАХ трансформатора тока

Вольт-амперная характеристика — это зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока от тока намагничивания при разомкнутой первичной обмотке. По сути это кривая намагничивания магнитопровода: пока сердечник не насыщен, ток намагничивания растёт медленно, а напряжение — быстро; после насыщения всё меняется местами.

Формально ВАХ определяется как зависимость между действующими значениями тока и напряжения на вторичной обмотке при приложении к ней синусоидального напряжения, когда первичная и все остальные обмотки разомкнуты. Методика снятия ВАХ для целей релейной защиты регламентируется РД 153-34.0-35.301-2002, а требования к характеристикам защитных обмоток — ГОСТ Р МЭК 61869-2.

Форма ВАХ определяется конструкцией магнитопровода и параметрами конкретной вторичной обмотки. У однотипных трансформаторов характеристики близки друг к другу, однако из-за технологических допусков и свойств электротехнической стали возможны небольшие различия. Именно поэтому при наладке ВАХ рекомендуется сравнивать с заводской характеристикой соответствующего исполнения.

Зачем снимают ВАХ: три задачи наладчика

Снятие ВАХ закрывает сразу три проверки.

  1. Выявление витковых замыканий. Замыкание витков вторичной обмотки резко меняет форму кривой: напряжение на перегибе падает. Опытный наладчик может заподозрить дефект по одному виду характеристики.
  2. Оценка исправности магнитопровода. Повреждение сердечника (перегрев, механический брак, остаточная намагниченность) тоже смещает кривую. Сравнение с заводской характеристикой позволяет подтвердить соответствие паспортным данным.
  3. Проверка защитной обмотки на 10-процентную погрешность. Это главное. Для обмоток классов 5P и 10P по ГОСТ Р МЭК 61869-2 гарантируется, что при токе, равном номинальной предельной кратности (ALF), погрешность не превысит 5 или 10 %. По ВАХ оценивают, обеспечит ли защитная обмотка требуемую точность при расчётном токе КЗ без преждевременного насыщения магнитопровода.

Как снимают ВАХ: схема и порядок

Методика закреплена в РД 153-34.0-35.301-2002 «Инструкция по проверке трансформаторов тока, используемых в схемах релейной защиты». Основные правила такие.

01
Схема подключения
На вторичную обмотку подают напряжение от регулируемого источника — ЛАТРа с повышающим трансформатором или испытательного комплекса вроде РЕТОМ-21. Первичная обмотка при этом разомкнута, все остальные обмотки — тоже.
02
Приборы
Ток измеряют амперметром, измеряющим действующее значение, напряжение — вольтметром среднего значения, отградуированным в действующих значениях синусоиды. Это важно: при насыщении форма тока искажается, и обычный прибор покажет не то, что нужно. Именно поэтому снятие ВАХ комплексами РЕТОМ-21 — стандарт практики: там эти требования заложены в методику измерения.
03
Размагничивание
Перед снятием магнитопровод размагничивают: несколько циклов плавного повышения и последующего снижения приложенного напряжения до нуля. Без этого остаточная намагниченность исказит кривую.
04
Пределы измерения
Испытание продолжают до уверенного прохождения точки перегиба характеристики (с захватом небольшого участка после насыщения), не превышая максимально допустимое испытательное напряжение, указанное изготовителем. По РД 153-34.0-35.301-2002 для трансформаторов с номинальным вторичным напряжением 100–200 В снятие, как правило, ведут до напряжения не выше 1800 В, однако предельно допустимое значение должно быть проверено по паспорту изделия.
05
Точки
По кривой равномерно записывают 8–10 точек, чтобы наклон характеристики был виден однозначно, включая точку перегиба.
06
Учёт температуры
При сравнении результатов испытаний следует учитывать температуру окружающей среды, поскольку сопротивление вторичной обмотки зависит от температуры. Это влияет на условия измерения и должно приниматься во внимание при сопоставлении результатов с заводскими данными.

Точка перегиба ВАХ и насыщение

На ВАХ всегда есть колено — точка перегиба, после которой ток намагничивания начинает расти значительно быстрее напряжения. Это и есть начало насыщения магнитопровода: индуктивность обмотки резко падает, и трансформатор перестаёт обеспечивать требуемую точность преобразования тока.

Чем выше напряжение точки перегиба, тем больший запас по вторичному напряжению имеет обмотка. Это позволяет обеспечить требуемую точность при больших токах короткого замыкания и (или) большей вторичной нагрузке. Поэтому положение точки перегиба является одним из основных критериев оценки пригодности защитной обмотки.

Методика измерения рабочей точки трансформатора тока

На практике при проверке защитных трансформаторов тока нередко требуется определить не всю вольт-амперную характеристику, а только рабочую точку — конкретную точку на кривой намагничивания, соответствующую реальной вторичной нагрузке. Часто для этого достаточно найти точку перегиба (Knee Point) и оценить её положение относительно расчётного вторичного напряжения, необходимого для работы защитной цепи.

Измерение выполняется практически по той же схеме, что и снятие полной ВАХ. На вторичную обмотку при разомкнутой первичной подают плавно возрастающее синусоидальное напряжение, одновременно контролируя ток намагничивания. Напряжение увеличивают до появления характерного перегиба кривой, после чего испытание прекращают. Полученное значение напряжения принимают за напряжение точки перегиба (Knee Point).

Современные испытательные комплексы (например, РЕТОМ, Omicron CPC, Sverker и аналогичные системы) автоматически строят ВАХ, определяют точку перегиба и формируют протокол испытаний. Это исключает субъективную оценку формы характеристики и позволяет получать воспроизводимые результаты.

Следует учитывать, что в разных нормативных документах критерий определения точки перегиба может отличаться. Наиболее распространённым является критерий, установленный стандартом IEC 61869-2: точкой перегиба считается участок характеристики, где увеличение напряжения на 10 % вызывает увеличение тока намагничивания примерно на 50 % и более. Именно такой подход реализован в большинстве современных испытательных комплексов, и именно этот критерий (10 % / 50 %) используется ими при автоматическом определении точки перегиба.

После определения точки перегиба её сравнивают с расчётным вторичным напряжением, необходимым для работы защитной цепи. Если точка перегиба располагается выше требуемого напряжения с достаточным запасом, трансформатор сможет корректно передавать токи короткого замыкания без преждевременного насыщения магнитопровода. Если же расчётное напряжение оказывается близко к точке перегиба или превышает её, существует риск насыщения трансформатора и появления значительной погрешности, способной повлиять на работу релейной защиты.

Практический совет.

При вводе новых трансформаторов тока в эксплуатацию рекомендуется сохранять полученную ВАХ или значение точки перегиба в качестве эталонных данных. При последующих профилактических испытаниях достаточно сравнить новую характеристику с первоначальной. Смещение точки перегиба даже при отсутствии видимых повреждений может свидетельствовать о появлении витковых замыканий, изменении магнитных свойств сердечника или других внутренних дефектах трансформатора.

Как ВАХ связана с классами 5P/10P и предельной кратностью

Вспомним, что означает маркировка защитной обмотки, например 10P20. Первая цифра — класс точности (составная погрешность при номинальной предельной кратности), вторая — сама кратность ALF: во сколько раз ток КЗ может превышать номинальный, пока погрешность держится в пределах класса. Подробно классы разобраны в нашей статье «Классы точности трансформаторов тока: измерительные и защитные обмотки».

Связь с ВАХ прямая: для протекания вторичного тока, соответствующего номинальной предельной кратности ALF, на вторичной обмотке должно развиться напряжение. Приближённо (без учёта индуктивной составляющей полного сопротивления) необходимое вторичное напряжение можно определить по выражению:

Приближённый расчёт вторичного напряжения
U ≈ ALF · I₂ном · (Rвн + Rнагр)
где I₂ном — вторичный номинальный ток (5 А или 1 А), Rвн — сопротивление вторичной обмотки, Rнагр — сопротивление подключённой нагрузки (реле, проводов)

Для более точных расчётов следует использовать полное сопротивление Z₂ с учётом индуктивной составляющей, однако на практике приведённое приближение часто применяется для оценочных проверок.

Если это расчётное напряжение лежит ниже точки перегиба ВАХ — трансформатор в насыщение не войдёт, погрешность будет в пределах класса. Если выше — магнитопровод начнёт входить в насыщение раньше, чем отработает защита, и реле получит искажённый ток.

Отсюда два практических вывода:

  • Увеличение вторичной нагрузки повышает требуемое вторичное напряжение. Если оно становится выше напряжения в области точки перегиба ВАХ, защитная обмотка начинает работать в области насыщения, что может привести к увеличению погрешности при токах КЗ. Поэтому при проверке считают нагрузку всей цепи, а не только реле.
  • Измерительную обмотку (0,2S, 0,5S) на защиту ставить нельзя. Её магнитная система рассчитана на минимальную погрешность в узком диапазоне рабочих токов и заведомо насыщается при токах, многократно превышающих номинальный, поэтому она не обеспечивает требуемую точность при КЗ.

Чем отличается ВАХ измерительной и защитной обмотки

Вольт-амперные характеристики измерительных и защитных обмоток отличаются принципиально — это следствие разного назначения магнитных систем.

Измерительная обмотка (классы 0,2S, 0,5S, 0,2, 0,5) рассчитана на минимальную погрешность в узком диапазоне рабочих токов (обычно от 1–5 % до 120 % номинального). Её магнитопровод работает при относительно высокой индукции уже в номинальном режиме. Поэтому точка перегиба ВАХ у измерительной обмотки расположена низко. При токах короткого замыкания такая обмотка быстро входит в насыщение и перестаёт корректно передавать ток. Именно поэтому измерительные обмотки нельзя использовать в цепях релейной защиты.

Защитная обмотка (классы 5P, 10P) проектируется наоборот: точка перегиба ВАХ должна лежать значительно выше. Это обеспечивает запас по насыщению при токах, многократно превышающих номинальный (в соответствии с предельной кратностью ALF). Благодаря этому защитная обмотка сохраняет приемлемую погрешность даже при коротком замыкании, пока ток не превысит значение ALF × Iном.

На практике это выглядит так:

  • У измерительной обмотки ВАХ «ломается» рано — уже при сравнительно небольшом вторичном напряжении.
  • У защитной обмотки точка перегиба сдвинута вверх, и кривая долго остаётся крутой.

Именно поэтому при наладке ВАХ защитной обмотки обязательно сравнивают с расчётным вторичным напряжением при токе КЗ. Для измерительной обмотки такая проверка обычно не требуется — её задача в другом диапазоне токов.

Сравнение с заводской кривой: почему это важно

Сама по себе снятая ВАХ мало что скажет, если её не с чем сравнить. Согласно РД 153-34.0-35.301-2002, при наличии заводской характеристики снятую ВАХ рекомендуется сопоставлять с характеристикой, предоставленной изготовителем. Допустимые расхождения определяются конкретной методикой испытаний, однако визуальное несовпадение формы или значительное смещение точки перегиба — повод разбираться: возможны витковое замыкание, брак сердечника или несоответствие экземпляра.

Проблема в том, что заводские кривые ВАХ есть не у всех. Производители и поставщики часто выдают их только вместе с партией трансформаторов, а лаборатория, которая принимает оборудование через несколько рук, остаётся без эталона для сравнения.

Где взять кривые ВАХ: запросите у СПБ-Интры

В зависимости от производителя и серии оборудования мы можем предоставить типовые характеристики либо индивидуальные заводские ВАХ конкретного изделия или партии. Это тот самый эталон, с которым лаборатория сравнивает свою кривую при проверке по РД 153-34.0-35.301-2002.

Чтобы получить кривые, пришлите нам:

  • тип трансформатора тока (ТЛО-10, ТОЛ-10, ТПЛ-10, CTS и другие);
  • коэффициент трансформации;
  • класс точности и предельную кратность нужной обмотки (например, 10P20);
  • вторичную нагрузку, на которую считаете цепь.

Оставьте заявку через форму обратной связи или свяжитесь с менеджером — мы подберём и вышлем кривые ВАХ под вашу задачу. Если трансформатор ещё не выбран, поможет наш гайд «Как выбрать трансформатор тока для КРУ 6–35 кВ» и раздел каталога трансформаторов тока.