Produkty średnich napięć. Przekładniki prądowe TPU Budowa, dobór i zastosowania

Transkrypt

1 Produkty średnich napięć Przekładniki prądowe TPU Budowa, dobór i zastosowania

2 Modyfikacje konstrukcji przekładników prądowych TPU w zależności od zastosowań Projektanci dobierający przekładniki zarówno napięciowe jak i prądowe do specyficznych aplikacji klienta, nie zawsze zastanawiają się nad konstrukcją oraz możliwościami technicznymi danych przekładników. Istotne są jedynie podstawowe parametry przekładników: przekładnia znamionowa, klasy, moce, wytrzymałość termiczna, dynamiczna itp. Dobór odpowiedniego przekładnika bardzo często jest kompromisem pomiędzy szeregiem parametrów metrologicznych przekładnika, które muszą być spełnione jednocześnie. Niniejszy artykuł ma za zadanie przybliżyć tematykę konstrukcji przekładników prądowych wsporczych TPU, pod kątem ich możliwości technicznych oraz podstawowych cech i właściwości. Obwody wtórne Produkcja przekładników TPU zaczyna się od specyfikacji rdzeni magnetycznych, odpowiedniego do określonych przez projektanta potrzeb metrologicznych i zwarciowych. Rdzenie wykorzystywane do produkcji przekładników prądowych można sklasyfikować pod kątem użytych do ich produkcji materiałów. Każdy z nich ma swoje unikatowe właściwości, które powodują ich wykorzystywanie w danym przekładniku, zgodnie z wytycznymi projektanta rozdzielnicy. Klient zgłaszający potrzebę transformacji prądu o wysokim napięciu na prąd przystosowany do urządzeń zasilanych z przekładnika niejako wymusza zastosowanie odpowiedniego materiału magnetycznego. Inne rdzenie zostaną użyte do wyprodukowania przekładnika służącego do pomiaru prądu (najczęściej pomiar tego prądu jest wykorzystywany później do rozliczeń za energię), a inne do przekładników zasilających obwody zabezpieczeniowe. Podział ten decyduje o tym, że producenci wykorzystują na rdzenie dwa podstawowe stopy: stal krzemowo-żelazową (stal elektrotechniczna walcowana na zimno) oraz stal niklowo-żelazową (permaloj). Stal elektrotechniczna jest znacznie tańsza niż stal z dodatkiem niklu, aczkolwiek jej zastosowanie nie zawsze daje wymagane efekty. Z drugiej jednak strony nie oznacza to, że permaloj jest idealny do wszelkich zastosowań, gdyż nie wykorzystuje się go do rdzeni zabezpieczeniowych W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że: Rdzenie ze stali elektrotechnicznej wykorzystywane są z reguły do aplikacji zabezpieczeniowych oraz do pomiarów przy stosunkowo mało wymagających klasach i wysokich przepływach. Rdzenie z permaloju stosuje się najczęściej do pomiarów (najdokładniejsze klasy dokładności) przy wymaganym niskim współczynniku bezpieczeństwa przyrządu Fs (5 lub poniżej 5). Dodatkowo rdzenie ze stali niklowej znacznie poprawiają charakterystykę błędów przy niskich wartościach prądów pierwotnych. Ważną właściwością materiałów magnetycznych, w odniesieniu do wartości liczby przetężeniowej przekładnika, jest jej zwiększanie się w momencie wzrostu objętości rdzenia. Innymi słowy można powiedzieć, że dla uzyskania większego współczynnika ALF (np. klas 5 (10)P10 lub 5 (10)P20 itp.) należy zastosować relatywnie więcej materiału magnetycznego niż dla klas pomiarowych 0,2, 0,5 itp. TABELA I. Granice błędów prądowych i fazowych dla pomiarowych przekładników prądowych (klasy od 0,1 do 1,0) wg IEC Klasa [+/-] Procentowy błąd dokładności w procentach prądu prądu (przekładni) pierwotnego pokazanego poniżej [+/-] Przesunięcie fazowe w procentach prądu pierwotnego pokazanego poniżej minuty centyradiany ,1 0,4 0,2 0,1 0, ,45 0,24 0,15 0,15 0,2 0,75 0,35 0,2 0, ,9 0,45 0,3 0,3 0,5 1,5 0,75 0,5 0, ,7 1,35 0,9 0,9 1,0 3,0 1,5 1,0 1, ,4 2,7 1,8 1,8 TABELA II. Granice błędów dla zabezpieczeniowych przekładników prądowych wg IEC Klasa dokładności Błąd prądowy przy znamionowym prądzie pierwotnym [%] Błąd prądowy przy znamionowym prądzie pierwotnym [%] minuty centyradiany Błąd całkowity przy znamionowym granicznym prądzie pierwotnym [%] 5P [+/-] 1 [+/-] 60 [+/-] 1,8 5 10P [+/-] TABELA III. Granice błędów prądowych i fazowych dla pomiarowych przekładników prądowych do specjalnych aplikacji wg IEC Klasa dokładności [+/-] Procentowy błąd prądu (przekładni) w procentach prądu pierwotnego pokazanego poniżej [+/-] Przesunięcie fazowe w procentach prądu pierwotnego minuty centyradiany ,2 S 0,75 0,35 0,2 0,2 0, ,9 0,45 0,3 0,3 0,3 0,5 S 1,5 0,75 0,5 0,5 0, ,7 1,35 0,9 0,9 0,9 2 Przekładniki prądowe TPU

3 W pszasnyskiej fabryce ABB są produkowane najwyższej klasy przekładniki prądowe i napięciowe. Uzwojenia pierwotne W przekładniku TPU wykorzystuje się uzwojenia pierwotne wykonane w postaci jednego zwoju (uzwojenia na najwyższe prądy) oraz cewki wielozwojowe. Powodem stosowania dwu różnych konstrukcji jest optymalizacja wnętrza przekładnika pod kątem wartości znamionowego oraz przetężeniowego (termicznego) prądu pierwotnego, jak również nie mniej ważna jest funkcja doboru wartości przepływu. Uzwojenia pierwotne projektuje się, uwzględniając zachowanie odpowiedniej wartości gęstości prądu przy warunkach Ipn oraz Ith, z jednoczesnym zachowaniem wartości przepływu ok Az. Oczywiście, przy warunkach Ipn > ~800 A, problem zbyt niskiej wartości przepływu znika nawet przy cewce jednozwojowej, jednak w przypadku np. Ipn/Isn = 10/5 A, niezbędne jest wykonanie uzwojenia pierwotnego z nawiniętymi minimum 20 zwojami, a jeśli miejsce we wnętrzu przekładnika jest wystarczające, nawet większą ich liczbą. Przy niskich wartościach prądu pierwotnego sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej, jeżeli należy wykonać konstrukcję na wysokie prądy termiczne. Wynika to z faktu, że już i tak wykorzystano sporo miejsca na wykonanie uzwojenia pierwotnego (które pracując pod wysokim napięciem wymaga jednak zachowania odpowiednich odległości izolacyjnych do elementów uziemionych), a dodatkowo jeszcze należy uwzględnić odpowiednio duże przekroje nośników prądu pierwotnego. Jeśli przy względnie niskich, znamionowych jego wartościach (np. 10, 50 A) gęstość prądu nie jest sprawą krytyczną, to przy znacznych krotnościach, jakie zdarzają się w warunkach termicznych (np. kilkaset lub nawet >1000 Ipn) należy wykonać odpowiednio przewymiarowane uzwojenie pierwotne, specjalnie na potrzeby tychże warunków zwarciowych. W wielu przypadkach okazuje się, że nie jest to możliwe. W przypadku prądów znamionowych o większych wartościach Rys. 3. Uzwojenie pierwotne wielozwojowe przekładnika TPU Rys. 4. Uzwojenie pierwotne jednozwojowe przekładnika TPU Przekładniki prądowe TPU 3

4 Current Error [%] (dla przekładnika TPU Ipn = max 3200 A) z reguły nie sprawia to większych kłopotów, gdyż standardowe wykonania przekładników z maksymalnym prądem termicznym jednosekundowym o wartości do 100 ka i dużymi znamionowymi prądami pierwotnymi, w dalszym ciągu mają Ith<50 xipn. Oznacza to, że uzwojenie pierwotne nie jest mocno przewymiarowane pod kątem warunków zwarciowych w stosunku do prądu znamionowego, a tym samym nie zajmuje dużo więcej (jakże cennego) miejsca we wnętrzu przekładnika. Current Error [%] 1,5 1,5 1,0 1,0 0,5 0, , ,5-1,0 I [%] I [%] Wpływ konstrukcji wewnętrznej na możliwe do uzyskania parametry metrologiczne Powyższe rozważania sygnalizują problem dostępnego miejsca w przekładniku prądowym ze względu na typowe konstrukcje elementów aktywnych (rdzenie magnetyczne, uzwojenia pierwotne i wtórne). Zadaniem każdego przekładnika prądowego jest transformacja będącego pod wysokim napięciem oraz przybierającego znaczne wartości prądu na sygnał o parametrach (napięcie, prąd) akceptowalnych dla odbiorników mierników, liczników, zabezpieczeń itp. Specyficzną właściwością, wyróżniającą przekładniki spośród rodziny zwykłych transformatorów, jest wymóg spełnienia odpowiedniej, określonej przez użytkownika mocy przekładnika w zadanej klasie dokładności. Często użytkownicy specyfikując odpowiedni dla nich produkt wybierają najdokładniejsze klasy dokładności, przy jednoczesnym zadaniu bardzo dużych mocy rdzeni przekładników, nie zastanawiając się zbytnio, czy jest to technicznie uzasadnione lub wręcz fizycznie wykonalne. Dzisiejsze zasilane przez przekładniki zazwyczaj elektroniczne odbiorniki są w stanie skonsumować moce rzędu raczej kilku, niż (jak to bywało w przeszłości) kilkudziesięciu woltoamperów. Niejednokrotnie zdarza się również, iż rdzenie zaprojektowane na wyższą moc, która nie jest w rzeczywistości zużyta, należy później sztucznie dociążyć, gdyż nie spełniają właściwości metrologicznych. Przy specyfikowaniu parametrów przekładników ważne jest, aby mieć świadomość tego, że bardzo często odpowiednie wykonanie przekładnika jest kompromisem szeregu, bardzo często wręcz wykluczających się nawzajem parametrów i wartości fizycznych. Jedynie odpowiednie i właściwie ich zestawienie może przełożyć się na satysfakcjonujący użytkownika aparat, który może być wykorzystywany w eksploatacji przez wiele lat. Podsumowanie W niniejszym artykule pokazano kilka charakterystycznych cech konstrukcyjno-technicznych przekładników TPU i przekładników prądowych w ogóle. Zamierzeniem powstania tego tekstu było przybliżenie czytelnikowi zagadnień technicznych związanych z doborem, produkcją i eksploatacją przekładników prądowych wsporczych średniego napięcia. -1,0-1,5-1,5 Phase Displ. [min] 90 Phase Displ. [min] Current Error [%] Current 1,5 Error [%] 1,0 1,5 0,5 1,0 0 0,5-0,5 0-1,0-0,5-1,5-1,0-2,0-1,5-2,5-2,0-3,0-2,5-3,0 Phase Displ. [min] I [%] I [%] Rys. 1. Wykres błędów prądowych i kątowych dla rdzenia ze stali niklowożelazowej. Parametry przekładnika: I pn /I sn = 50/5 A; Az = 50; I th = 3 ka; klasa 0,5; moc 1 VA (linią czerwoną oznaczono dopuszczalne granice błędu, niebieską rzeczywiste wartości) I [%] I [%] Phase Displ. [min] I [%] 30 Rys Wykres błędów prądowych 25 i kątowych 50 dla rdzenia 75 ze stali krzemowożelazowej. 100 I [%] Parametry przekładnika: I pn /I sn = 50/5 A; Az = 50; I th = 3 ka; klasa 0,5; moc 1 VA (linią czerwoną oznaczono dopuszczalne granice błędu, niebieską rzeczywiste wartości) 4 Przekładniki prądowe TPU

5 Przekładniki prądowe TPU W czasach dynamicznego rozwoju różnego rodzaju firm i przedsiębiorstw, z których większość wykorzystuje prąd dopływający do zakładu pod średnim napięciem, bardzo istotnym i aktualnym zagadnieniem wydaje się być odpowiednie rozliczenie się za dostarczoną energię. Dostępne na rynku, ciągle unowocześniane urządzenia pomiarowe nierzadko wymagają doprowadzenia sygnału z informacją o stanie sieci SN z odpowiednią dokładnością oraz o pożądanej jakości. W momencie, gdy zarządzający finansami spółki dostają rachunek od dostawcy opiewający na pokaźną sumę, czy aby nie zadają sobie pytania czy to przypadkiem nie za wiele?. W takich przypadkach jest zapewne czas na krótką refleksję, czy wszystko jest w porządku z systemem pomiarowym i rozliczeniowym. System doprowadzenia/wtrysku mieszanki oraz zalewania przekładnika firmy Vogel ciśnieniowa technologia zalewania. Z drugiej strony, dostawcom mocy również powinno zależeć na jak najdokładniejszym rozliczeniu skonsumowanej energii. Mało istotne z pozoru zagadnienie odpowiedniej (przy zachowaniu pożądanej klasy dokładności) transformacji sygnału SN na nn, wraz z biegiem miesięcy czy lat eksploatacji aparatu, nabiera kolosalnego znaczenia gdyż przekłada się bezpośrednio na koszty. Oddzielnym, nie mniej ważnym zagadnieniem, są aspekty odpowiedniego zabezpieczenia urządzeń, rozdzielnicy, czy wręcz całego pobliskiego systemu elektroenergetycznego. Trudno sobie dzisiaj wyobrazić pracę sieci bez odpowiednich zabezpieczeń nadprądowych, odległościowych czy zwarciowych. Oprócz wyżej wymienionych nie wolno również zapominać o właściwym zabezpieczeniu przyrządu pomiarowego zasilanego przez przekładnik. Również ta funkcja może być zrealizowana przez odpowiedni dobór przekładnika prądowego. Wychodząc naprzeciw oczekiwaniom klientów, firma ABB ma przyjemność przedstawić nową rodzinę przekładników prądowych, wsporczych TPU, spełniających najostrzejsze wymagane przez użytkowników parametry metrologiczne. Przekładniki prądowe TPU 5

6 System mieszania żywicy firmy Hedrich ciśnieniowa technologia zalewania Parametry Przekładniki prądowe TPU produkowane są w izolacji wykonanej z mieszanki żywicy epoksydowej pełniącej funkcję izolacji głównej (napięciowej), jak również konstrukcji wsporczej pozwalającej na swobodne podłączenie szyn prądowych. Przekładniki produkowane są na napięcia 12, 17,5, 24 i 36kV oraz na szeroki zakres prądów znamionowych pierwotnych kończący się na I pn = 3200 A. Bardzo bogaty jest również zakres oferowanych klas dokładności, zaczynając od typowo pomiarowych klas służących z reguły do rozliczeń z energetyką zawodową 0,2 czy 0,5 (w niektórych, wymagających zastosowaniach również 0,2 S lub 0,5 S) poprzez raczej mniej dokładne (np. 1 czy 3), na klasach zabezpieczeniowych (5P lub 10P) kończąc. Oczywiście specyfikując przekładnik, dla klas zabezpieczeniowych należy określić współczynnik ALF (Accuracy Limit Factor), określający krotność znamionowego prądu pierwotnego, przy którym maksymalny błąd przekładnika określony jest podaną klasą lub, mając na uwadze bezpieczeństwo przyrządów pomiarowych, można również (przy klasie pomiarowej) określić współczynnik Fs (Factor of Security) mówiący o krotności prądu, przy którym rdzeń przekładnika nasyci się transformując z dużym błędem, chroniąc tym samym przyrządy zasilane. Przytoczone powyżej parametry zaczerpnięte są z aktualnej w Polsce normy PN-EN , aczkolwiek możliwe są również wykonania przekładników wg innych standardów np. IEC, ANSI, BS, AS, itd. Biorąc pod uwagę ogromną liczbę potencjalnych wykonań przekładników TPU (różne: przekładnie, ilość rdzeni dostępne aż sześć w jednym przekładniku, klasy, moce, etc.) ABB oferuje kilka możliwych rozmiarów aparatów po to, aby zapewnić odpowiednią ilość miejsca na niezbędne elementy wnętrza przekładnika (głównie: magnetowody, uzwojenie pierwotne, uzwojenie/uzwojenia wtórne). Technologia Przy produkcji przekładników średniego napięcia w izolacji żywicznej, najtrudniejszym technologicznie etapem jest tworzenie obudowy, czyli określonego kształtu z żywicy epoksydowej. Wszystkie inne etapy produkcji mogą być wykonane relatywnie małym nakładem środków (oprzyrządowanie, know-how, itp.). To właśnie doświadczenie na polu odlewni żywic i odpowiedni, profesjonalny sprzęt pokazuje w finalnym produkcie fachowość (bądź jej brak) producenta. Tutaj każda pomyłka lub brak kompetencji kosztuje to, że aparat nie nadaje się do instalacji i należy go już tylko zutylizować. ABB, jako lider technologii w zakresie produkcji aparatury elektroenergetycznej, stosuje dwie podstawowe metody formowania izolacji głównej przekładników, czyli zalewania wnętrza żywicą epoksydową metoda próżniowa (Vacuum casting) oraz metoda ciśnieniowa (APG Automatic Pressure Gelation). Oba sposoby zalewania mają swoje specyficzne właściwości i zalety. Metoda próżniowa polega na stworzeniu próżni, pod ciśnieniem kilku mb (milibarów), w komorze zalewowej przekładnika, a następnie na grawitacyjnym wlaniu mieszanki żywicznej do formy odlewniczej. Pozwala to na zalanie wnętrza żywicą w atmosferze wolnej od powietrza, które mogłoby zostać uwięzione w przekładniku. Sposób APG natomiast polega na wtrysku, pod ciśnieniem kilku barów, mieszanki żywicznej do formy zamontowanej w hydraulicznie sterowanym urządzeniu pozwalającym na pełną automatyzację procesu (podgrzewanie płyt bocznych formy, doprowadzenie głowicy z mieszanką, wtrysk, etc.). Wszystkie czynności dotyczące zalewania technologią ciśnieniową, realizowane są automatycznie po odpowiednim zaprogramowaniu przez operatora urządzenia, a następnie rejestrowane w bazie danych (zapisywane są parametry typu: czas, ciśnienia, temperatury zarówno mieszanki 6 Przekładniki prądowe TPU

7 jak i płyt grzejnych i wiele innych), co znakomicie ułatwia analizę procesu technologicznego odlewania przekładników. Metoda zalewania ciśnieniowego, pozwala uzyskać pełną powtarzalność procesu przy jednoczesnym zwiększeniu jego wydajności. Przekładniki TPU wykorzystują obie metody zalewania. Typy do 600 A (jako aparaty najliczniej produkowane) znamionowego prądu pierwotnego zalewane są przy zastosowaniu zalewania ciśnieniowego. W przekładnikach o prądzie znamionowym powyżej 600 A, wykorzystywana jest technologia próżniowa. Dodatkowo, wszystkie elementy wchodzące w skład wnętrza przekładnika są gromadzone przy wykorzystaniu najwyższych standardów kontroli jakości wejściowej materiałów oraz wytwarzane przez wykwalifikowany personel. Konstrukcja Przekładniki prądowe TPU produkowane są, jako konstrukcja wsporcza do zamontowania w rozdzielnicach wnętrzowych. Do najważniejszych elementów konstrukcji wnętrza można zaliczyć: uzwojenie pierwotne (jedno lub wielozwojowe), rdzenie magnetyczne oraz nawinięte na nich uzwojenie (uzwojenia) wtórne. Zależnie od wartości prądu pierwotnego znamionowego oraz termicznego, dobierane są różne konstrukcje uzwojenia pierwotnego. Przy doborze uzwojenia pierwotnego, brana jest pod uwagę wartość gęstości prądu płynącego przez uzwojenie pierwotne w warunkach znamionowych i przetężeniowych oraz wartość przepływu (prąd mnożony przez liczbę zwojów) tak, aby optymalnie dobrać konstrukcję uzwojenia. Dodatkowo dostępne są również konstrukcje przekładnika przełączalnego po stronie pierwotnej (możliwe dwa różne znamionowe prądy pierwotne) oraz przełączalnego po stronie wtórnej jeden lub więcej odczepów na uzwojeniu wtórnym. Przekładniki są kontrolowane na każdym etapie produkcji Właściwości Przekładniki TPU, są unikatowym zestawieniem doświadczenia i profesjonalizmu ludzi oraz jakości wykonania. Klient decydując się na zastosowanie przekładnika TPU, otrzymuje produkt wytworzony przy zachowaniu najostrzejszych norm zapewnienia jakości oraz przy użyciu najnowocześniejszych urządzeń i technologii. Jest to aparat, który w pełni może zastąpić istniejące na rynku produkty przy zachowaniu wymaganych cech niezawodności i solidności wykonania. Podsumowanie Firma ABB obecna na rynku aparatów elektroenergetycznych od dziesięcioleci, prezentuje Państwu najnowszą wersję przekładników prądowych średniego napięcia typu TPU. Aparat ten może pracować we wszystkich typowych aplikacjach średniego napięcia, jako konstrukcja umożliwiająca klientom dokładny i precyzyjny pomiar prądu płynącego w systemie. Informacja ta, pozwala na skrupulatne rozliczenie się za pobraną energię, jak również zabezpieczenie znajdujących się w pobliżu urządzeń lub systemów. Przekładniki prądowe TPU 7

8 Więcej informacji Paweł Kryszpin Kierownik Obszaru Sprzedaży tel.: fax: kom ABB Sp. z o.o. Siedziba spółki ul. Żegańska Warszawa tel.: fax: ABB zastrzega sobie prawo do dokonywania zmian technicznych bądź modyfikacji zawartości niniejszego dokumentu bez uprzedniego powiadamiania. W przypadku zamówień obowiązywać będą uzgodnione warunki. ABB Sp. z o. o. nie ponosi żadnej odpowiedzialności za potencjalne błędy lub możliwe braki informacji w tym dokumencie. Zastrzegamy wszelkie prawa do niniejszego dokumentu i jego tematyki oraz zawartych w nim zdjęć i ilustracji. Jakiekolwiek kopiowanie, ujawnianie stronom trzecim lub wykorzystanie jego zawartości w części lub w całości bez uzyskania uprzednio pisemnej zgody ABB Sp. z o. o. jest zabronione. Wszelkie prawa zastrzeżone. Copyright 2009 ABB. 3446PL147-W1-pl. Wydanie