1

7. TRANSFORMATOARE DE MĂSURARE Exploatarea reţelelor de transport şi distribuţie necesită contorizarea şi supravegherea fluxurilor de energie tranzitate pe conexiunile sistemului (linii electrice aeriene şi linii electrice în cablu). În stadiul actual de dezvoltare a sistemelor electroenergetice, puterile tranzitate au atins niveluri importante ceea ce impune măsurarea cu exactitate sporită a mărimilor de stare ale reţelei (tensiuni, curenţi, puteri, energii) pentru contorizarea corectă a fluxurilor de energie în vederea facturării (măsurarea unei puteri de 1140 MW cu o incertitudine de 1/1000 se traduce pe durata unui an în 10 GWh necontorizaţi). În altă ordine de idei, orice defect care afectează funcţionarea reţelei trebuie să fie sesizat şi eliminat în timp util pentru a evita deteriorarea echipamentelor sau pierderea stabilităţii reţelei. Este prin urmare necesară supravegherea permanentă a mărimilor de stare (curenţi, tensiuni) în vederea detectării regimurilor de defect. Cele două funcţii esenţiale pentru buna funcţionare a sistemului (măsura şi protecţia) nu pot fi realizate fără transformatoarele de măsurare-echipamente care permit observarea directă a curenţilor şi tensiunilor reţelei.

7.1. Prezentare generală

7.1.1. Rolul transformatoarelor de măsurare

7.1.1.1 Mediul electromagnetic în staţiile electrice

Prin mediu electromagnetic înţelegem totalitatea fenomenelor electromagnetice care coexistă în timp într-un loc dat. În scopul simplificării activităţii de asigurare a compatibilităţii electromagnetice, în practica acesteia se utilizează o clasificare generală a mediilor electromagnetice, bazată pe criteriul locului de amplasare a aparatului / sistemului. Clasificarea introduce noţiunea de clasă de amplasament, cu semnificaţia de: ansamblu de locuri de amplasare cu caracteristici electromagnetice comune, rezultate din similitudinea naturii şi densităţii echipamentelor electrice şi electronice utilizate, condiţiilor de instalare a acestora şi a perturbaţiilor electromagnetice(PEM) externe. Fiecare clasă de amplasament este caracterizată prin grade de severitate ale diferitelor tipuri de PEM care acced la aceste aparate / sisteme prin diferitele porturi ale acestora. Mediul electromagnetic din staţiile electrice şi posturile de transformare cu teniune nominală peste 1 kV este încadrat la clasa de amplasament 5 caracterizată prin nivel excepţional al PEM care pot să apară. În consecinţă, mărimile de stare ale reţelei (curenţi şi tensiuni) pot să fie afectate de componente tranzitorii (supracurenţi şi suprateniuni), a căror spectru de frecvenţe se întinde până la frecvenţe de tăiere de ordinul 10 MHz pentru instalaţiile clasice cu izolaţie în aer sau 100 MHz pentru instalaţiile capsulate, cu izolaţie în gaz sub presiune.

7.1.1.2 Semnale utilizate de echipamentele de măsurare şi protecţie

Echipamentele cu ajutorul cărora se realizează contorizarea energiei şi protecţia reţelei, sunt dispozitive de măsurare de joasă tensiune, precise şi rapide, însă susceptibile la acţiunea PEM; în concepţia lor se utilizează pe scară largă componente electronice şi sunt legate funcţional la automatizări numerice a căror fiabilitate nu este asigurată decât în condiţii climatice şi electromagnetice "sănătoase". Pentru aceste dispozitive (care vor fi denumite în continuare dispozitive secundare), valoarea tipică a curentului nominal este de 1 A iar cea a tensiunii nominale de 100 V. Valorile menţionate sunt valori standardizate, independente de nivelul de tensiune al reţelei în care funcţionează; standardizarea mărimilor secundare ale tensiunii respectiv curentului, a permis standardizarea echipamentelor secundare.

7.1.1.3 Funcţiile unui transformator de măsurare

Diferenţa substanţială de nivel existentă între mărimile de stare electrică asociate căilor principale de curent şi cele asociate dispozitivelor secundare, impune utilizarea unor dispozitive intermediare pentru:

2

● reducerea valorilor curentului respectiv tensiunii la valori compatibile cu aparatele de măsurare şi protecţie;

● separarea "galvanică" (izolarea) aparatelor de măsurare şi protecţie în raport cu căile principale de curent, atât pe durata regimului normal de funcţionare cât şi pe durata regimurilor tranzitorii iniţiate de defecte.

Dispozitivele care realizează aceste funcţii sunt TM - transformatoarele de măsurare (instrumentation transformers, transformateurs de mesure). În funcţie de mărimea primară convertită există următoarele categorii de TM:

� transformatoare de măsurare de curent (pe scurt transformatoare de curent sau TC) � transformatoare de măsurare de tensiune (pe scurt transformatoare de tensiune sau TT) � transformatoare de măsură combinate (sau TMC)

La rândul lor există două tipuri principial diferite de TT: � TT inductive � TT capacitive

În prezent au apărut pentru ambele categorii de transformatoare (TC şi TT) transformatoare speciale: � transformatoare electronice � transformatoare amagnetice de curent de tip bobină Rogowski � transformatoare magneto-optice de curent bazate pe efect Faraday � transformatoare electro-optice de tensiune bazate pe efect Pockels

care înlocuiesc transformatoarele clasice.

7.1.2. Caracteristici comune tuturor transformatoarelor de măsurare

7.1.2.1 Niveluri de tensiune. Clasificare.

Publicaţia IEC(CEI) 60071-1 utilizează trei game de echipamente în funcţie de Um – tensiunea cea mai ridicată pentru echipament: - clasa A .......................................... 1 kV < Um < 52 kV corespunde mediei tensiuni (MT) - clasa B .......................................... 52 kV ≤ Um < 300 kV corespunde înaltei tensiuni (IT) - clasa C .......................................... 300 kV ≤ Um corespunde foarte înaltei tensiuni (FIT) Concepţia şi soluţiile constructive folosite pentru transformatoarele de măsurare sunt evident dependente de gama din care fac parte. Fiecărei clase de echipament îi corespunde un nivel de izolaţie (ansamblu de tensiuni de ţinere pe care izolaţia fază-pământ a transformatorului trebuie să le asigure). Nivelurile de izolaţie standardizate conform IEC 60044-1 pot să fie consultate în tabelele care urmează. Tabel Niveluri standardizate de izolare pentru transformatoarele de curent conform IEC 60044-1

Um kV

U t50Hz U t

ITT

kV U t

ITC

kV

RIV Tensiune de

încercare kV

RIV nivel maxim

admis

PD Tensiune de

încercare kV

PD nivel maxim

pC uscat kV

sub ploaie kV

36 70 70 170 - - - 43 10 72.5 140 140 325 - - - 86 10 123 230 230 550 - 78 250 148 10 145 275 275 650 - 92 250 174 10 170 325 325 750 - 108 250 204 10 245 460 480 1050 - 156 250 276 10 300 460 - 1050 850 191 250 360 10 352 510 - 1175 950 230 2500 434 10

420 630 - 1425 1050 267 2500 420* 10 525 660 - 1550 1175 334 2500 525* 10

765 975 - 2100 1550 485 2500 765* 10

* - pentru neutru legat direct la pământ Tensiunile de încercare din tabel se aplică pentru altitudini ≤ 1000 m (rigiditatea dielectrică a aerului scade cu creşterea altitudinii deci pentru altitudini peste 1000m tensiunile de încercare sunt corectate funcţie de altitudine Um – tensiunea cea mai ridicată pentru echipament

3

U t50Hz – tensiunea de ţinere pentru tensiune alternativă cu frecvenţa de 50 Hz

U tITT – tensiune de ţinere la impuls de tensiune de trăsnet 1.2 / 50 µs

U tITC – tensiune de ţinere la impuls de tensiune de comutaţie 250 / 2500 µs

RIV (Radio Influence Voltage) – tensiune prin care se evaluează nivelul câmpului electromagnetic emis de echipament în banda Radio-TV pentru tensiunea de încercare indicată în tabel

PD – Partial Discharge - descărcări parţiale Tabel Niveluri standardizate de izolare pentru transformatoarele inductive de tensiune conform IEC 60044-2

Um

kV

U t50Hz U t

ITT

kV

RIV Tensiune de

încercare kV

RIV nivel maxim

admis

PD Tensiune de

încercare kV

PD nivel maxim

pC uscat kV

sub ploaie kV

24 50 50 125 - - 29 10

36 70 70 170 - - 43 10

52 95 95 250 - - 62 10

72.5 140 140 325 - - 87 10

82.5 150 150 380 - - 99 10

123 230 230 550 78 2500 148 10

145 275 275 650 92 2500 174 10

170 325 325 750 108 2500 204 10

Tensiunile de încercare din tabel se aplică pentru altitudini ≤ 1000 m Tabel Niveluri standardizate de izolare pentru transformatoarele capacitive de tensiune (IEC 60186, IEC 60358 şi IEC 60044-2)

Um

kV

U t50Hz U t

ITT

kV

U tITC

kV

RIV Tensiune de

încercare kV

RIV nivel maxim

admis

PD Tensiune de

încercare kV

PD nivel maxim

pC uscat kV

sub ploaie kV

72.5 140 140 325 - - - 87 10

123 230 230 550 - 78 2500 148 10

145 275 275 650 - 92 2500 174 10

170 325 325 750 - 108 2500 204 10

245 460 460 1050 - 156 2500 294 10

300 460 - 1050 850 190 2500 360 10

362 510 - 1175 950 230 2500 435 10

420 630 - 1425 1050 267 2500 420" 10

525 680 - 1550 1175 333 2500 525' 10

765 975 - 2100 1550 486 2500 765' 10

Tensiunile de încercare din tabel se aplică pentru altitudini ≤ 1000 m

7.1.2.2 Valori standardizate de curent şi tensiune în regim normal de funcţionare

� Valori nominale în primar: tensiunea respectiv curentul în înfăşurarea primara a unui TM depind de caracteristicile reţelei în care urmează să funcţioneze.

→ pentru TC valoarea nominală a curentului primar trebuie aleasă astfel încât să depăşească cu 10 până la 40% valoarea estimată în regim normal de funcţionare pentru curentul primar; alegerea se face din seria 10-12.5-15-20-25-30-40-50-60-75 şi multipli decimali ai acesteia.

4

→ în mod normal TT sunt montate între fază şi pământ deci valoarea nominală a tensiunii

TT este egală cu 3/,reteanU

� Valori nominale în secundar: → pentru TC valorile nominale ale curentului din înfăşurarea secundară 1, 2 sau 5 A → pentru TT valorile nominale ale tensiunii înfăşurărilor secundare sunt (în practica europeană)

V110V3110V100V;3100 //

→ pentru TT ori de câte ori este posibil, raportul nominal de transformare trebuie ales din seria valorilor standardizate

În conformitate cu IEC 60044-1 (TC) şi 60044-2 (TT) transformatoarele de măsurare sunt proiectate pentru o valoare medie a temperaturii mediului ambiant de 35°C.

7.1.2.3 Regim tranzitoriu. Cicluri de RAR (reanclanşare automată rapidă)

Pe durata regimurilor de defect, mărimile de stare sunt mult diferite faţă de valorile standardizate (ca nivel şi lege de variaţie în timp). De exemplu: în reţeaua cu Um = 420 kV:

� curentul nominal este 1600 A dar componenta periodică a curentului de scurtcircuit poate ajunge la 63 kA valoare efectivă;

� tensiunea nominală este 400 (între faze) respectiv 133 kV (fază-pământ) dar pe durata unei manevre de deconectare tensiunea poate atinge valori de ordinul 960 kV între fază şi pământ.

În condiţii de defect, TM trebuie să fie capabile să detecteze şi să tansmită corect modificarea mărimilor de stare, în special pentru protecţiile şi automatizările conectate în secundarul lor.

Figura 7.1 Ciclul de RAR

De exemplu, liniile electrice aeriene sunt prevăzute cu automatizări tip RAR (trifazat sau monofazat). La apariţia unui defect pe linie de tipul unui scurtcircuit mono- sau polifazat iniţiat de conturnarea unui lanţ de izolatoare, protecţia maximală de curent comandă deschiderea întreruptorului de la capătul dinspre sursă al liniei. După o pauză (denumită pauză de RAR) întreruptorul este închis; dacă defectul a dispărut este reluată funcţionarea în condiţii normale a circuitului. Diagrama unui ciclu de RAR este prezentată în figura 7.1.

Tensiunea şi curentul sunt prezente pe durata intervalelor în care întreruptorul este închis (marcate cu I în figură) şi sunt nule pentru intervalele în care întreruptorul este deschis (marcate cu D în figură). Pe toată durata ciclului de RAR, TM trebuie să transmită în secundar o imagine fidelă a mărimii primare măsurate în limita erorilor admise.

7.1.3. Erori de măsurare. Definiţie.

7.1.3.1 Raport de transformare teoretic, Kn

Este raportul între valorile efective nominale ale mărimii primare respectiv secundare.

� pentru transformator de măsurare de curent (TC): nominale

=

s

pn I

IK (7.1)

5

� pentru transformator de măsurare de tensiune (TT): nominale

=

s

pn U

UK (7.2)

I - curent, U -tensiune, indicele p desemnează mărimea primară iar indicele s pe cea secundară.

7.1.3.2 Eroare de raport

Datorită imperfecţiunilor constructive, raportul de transformare real este diferit de raportul de transformare teoretic. Se definesc două tipuri de erori: (a) Eroarea de raport, εεεεK

� pentru transformator de măsurare de curent (TC):

100⋅−

=εp

psnK I

IIK (7.3)

� pentru transformator de măsurare de tensiune (TT):

100⋅−

=εp

psnK U

UUK (7.4)

(b) Eroarea compusă, εεεεC (este o estimare a valorii efective a erorii) � pentru transformator de măsurare de curent (TC):

( )∫ −⋅⋅=εT

snpp

C dtiKiTI 0

211100 (7.5)

în care ip şi is sunt valorile instantanee ale curenţilor din primarul respectiv secundarul transformatorului; � această eroare nu se defineşte pentru transformatorul de măsurare de tensiune (TT).

7.1.3.3 Eroarea de fază

Dacă mărimile primare şi secundare sunt exprimate prin fazorii corespunzători, eroarea de fază se defineşte prin relaţiile:

� pentru transformator de măsurare de curent (TC): ( ) ( )ps II argarg −=εψ (7.6)

� pentru transformatorul de măsurare de tensiune (TT) ( ) ( )ps UU argarg −=εψ (7.7)

Eroarea de fază este de ordinul a câtorva minute (de unghi).

7.1.3.4 Relaţia dintre diferitele tipuri de eroare

Fie Ap şi As fazorii corespunzători mărimii primare respectiv secundare. Se poate defini raportul complex de transformare K şi eroarea complexă ε folosind relaţiile:

s

p

A

AK = (7.8)

Ψ⋅+ε=−=ε jK

Kn 1 (7.9)

Dacă au valori mici, erorile de raport şi fază din relaţiile (7.3), (7.4), (7.5), (7.6) şi (7.7) se exprimă prin următoarele relaţii simple: ( ) ε=ε⋅=ε 100100 ReK (7.10)

( ) Ψ=ε=εΨ 34383438Im (7.11) eroarea de fază din (7.11) este exprimată în minute.

6

7.1.4. Exactitatea

7.1.4.1 Sarcina secundară nominală

Este specificată prin Sn puterea aparentă nominală a înfăşurării secundare sub un factor de putere cos φ dat. Pentru această încărcare a înfăşurării secundare este determinată (şi garantată) precizia TM. Puterile cerute de dispozitivele conectate în secundarul unui TM variază, în funcţie de tehnologia de realizare, de la 1 VA pentru relee statice la 20 VA pentru relee electromecanice. La aceste puteri se adaugă pierderile de putere pe conexiunile dintre TM şi dispozitiv (importante în special în cazul transformatoarelor de măsurare de curent). Valorile uzuale ale sarcinilor secundare sunt cuprinse în intervalul 2.5...30 VA pentru transformatoarele de curent şi 10...500 VA pentru transformatoarele de tensiune.

7.1.4.2 Clasa de exactitate

Clasa de exactitate este indicată printr-un număr (indice de clasă) egal cu limita superioară a erorii, exprimată în procente, determinată pentru valoarea nominală a mărimii primare şi sarcina secundară egală cu cea nominală. Există două tipuri de clase de exactitate:

� clase de exactitate utilizate pentru măsurare, caracterizate în general de erori de măsurare relativ constante şi de valoare mică asociate unui domeniu restrâns de valori ale mărimii primare;

� clase de exactitate utilizate pentru protecţii , caracterizate în general de erori de măsurare mai mari asociate unui domeniu mult mai larg de valori ale mărimii primare.

Tabelele 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 şi 7.6 indică limitele de eroare în funcţie de clasa de exactitate pentru transformatoare de măsurare de tensiune şi curent, conform publicaţiilor IEC(CEI) 60044-1 (pentru TC) şi 60044-2 (pentru TT). Pentru transformatoarele în secundarul cărora se conectează protecţiile, indicele de clasă este urmat de litera P atât pentru TC cât şi pentru TT. Pentru TC litera P este urmată de un număr care se numeşte factor pentru curentul limită de exactitate; reprezintă raportul dintre cea mai mare valoare a curentului primar pentru care TC trebuie să se încadreze în intervalul de eroare prescris pentru eroarea compusă şi curentul nominal al înfăşurării primare. Valorile standardizate ale factorului pentru limita de exactitate sunt conform IEC:

5 – 10 – 15 – 20 - 30 Exemplu: în secundarul unui TC de clasă 5P20 se conectează protecţii; eroarea sa de raport trebuie să fie mai mică de 5% (tabelul 7.3) pentru orice valoare a curentului în intervalul (1...20)×In . Pentru transformatoarele de tensiune, se defineşte factorul de tensiune nominal; este raportul dintre cea mai mare valoare a tensiunii pentru care TT trebuie să respecte valorile limită ale erorilor pentru clasa de exactitate căreia îi aparţine şi tensiunea nominală a înfăşurării primare. Valori tipice ale acestui factor sunt:

� pentru TT cu înfăşurări secundare pentru protecţii [ 1.5...1.9] în funcţie de politica de traatare a neutrului aplicată în reţeaua în care este conectat (1.5 pentru reţele cu neutrul legat efectiv la pământ şi 1.9 pentru reţele cu neutrul izolat),

� pentru TT cu înfăşurări secundare pentru aparate de măsurare valoarea factorului este 1.2 TT atât cele inductive cât şi cele capacitive sunt conectate, după cum s-a menţionat deja, între fază şi pământ. Pe durata anumitor regimurilor tranzitorii, tensiunea la bornele transformatorului poate să crească până la valoarea factorului de tensiune (regimul se numeşte de supratensiune temporară). Durata unui regim de supratensiune temporară variază de la 30 s (dacă se foloseşte eliminarea automată a defectelor monofazate) până la 8 ore pentru reţelel cu neutrul izolat pentru care este permisă continuarea funcţionării cu o punere simplă la pământ. TT nu au voie să intre în saturaţie pentru tensiuni aplicate la nivelul factorului de tensiune; este motivul pentru TT operează cu valoari reduse ale inducţiei magnetice corespunzătoare tensiunii nominale.

7

7.1.4.3 Funcţionarea în regim tranzitoriu

Regimul tranzitoriu propriu al transformatorului de măsurare, iniţiat de variaţii rapide ale mărimilor de stare din circuitul primar, trebuie să se amortizeze suficient de rapid pentru ca funcţionarea echipamentelor secundare destinate protecţiei reţelei să nu fie perturbată. Din acest motiv, comportarea transformatoarelor de măsurare în regim tranzitoriu, face obiectul unor clauze speciale incluse în specificaţiile tehnice ale echipamentului.

8

Problema se pune în special pentru transformatoarele de măsurare de curent, pentru care publicaţia IEC 60044-1 a definit clase speciale (TPS, TPX, TPY şi TPZ) pentru TC care trebuie să asigure o exactitate impusă pe durata regimurilor tranzitorii din circuitele primare (tabelul 7.4).

7.1.5. Funcţii anexe

Trebuie menţionat faptul că în afara funcţiilor principale: � de reducere a tensiunilor şi curenţilor; � de decuplare între circuitele primare aflate la tensiune înaltă şi circuitele secundare de JT;

transformatoarele de măsurare pot fi utilizate pentru îndeplinirea unor funcţii anexe.

7.1.5.1 Descărcarea sarcinii electrice reziduale de pe LEA

La deconectarea de la sursă a unei linii electrice aeriene funcţionând în gol, capacitatea liniei rămâne încărcată cu o cantitate de sarcină electrică denumită sarcină reziduală; sarcina reziduală trebuie descărcată la pământ pentru că prezenţa ei poate conduce la supratensiuni periculoase cu ocazia reconectării liniei. Această funcţie este îndeplinită de transformatoarele de măsurare de tensiune de tip inductiv; înfăşurarea de înaltă tensiune a acestui tip de transformator constituie o legătură galvanică între borna sa de înaltă tensiune şi capătul înfăşurării care funcţionează legat la pământ. Prin această legătură, sarcina electrică reziduală este descărcată.

7.1.5.2 Injectarea curenţilor purtători pe LEA

Conductoarele LEA de IT sau FIT constituie un suport pe care pot fi transferate informaţii şi sunt utilizate ca atare de cei care exploatează reţeaua, pentru asigurarea canalelor de telecomunicaţii necesare funcţionării sistemului. Principiul constă în modularea în amplitudine sau fază a unor curenţi de înaltă frecvenţă (40...400 kHz), care sunt injectaţi în conductoarele de fază folosind condensatoare conectate între conductorul de fază şi pământ. Transformatoarele capacitive de tensiune sunt utilizate pentru efectuarea cuplajului între sursa de curent de înaltă frecvenţă şi conductorul de fază pe care se realizează injecţia de curent.

7.1.5.3 Limitarea curenţilor secundari

În cazul în care transformatoarele de măsurare de curent sunt utilizate pentru contorizarea energiei, circuitele lor magnetice nu sunt dimensionate pentru a transmite curenţi mult mai mari decât cei nominali. În regim de scurtcircuit, circuitul magnetic al acestor transformatoare se saturează, şi realizează limitarea curentului în înfăşurările secundare, protejând în acest fel aparatele conectate la acestea.

This document was created with Win2PDF available at http://www.win2pdf.com.The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.This page will not be added after purchasing Win2PDF.