2022年1月31日星期一

絕緣阻值的探討 (踏入50萬瀏覽量第六文)

 在低壓系統中,例書要求的最少絕緣值為 1Mohm。

換言之它的算式如下:

220V / 1000000ohm = 0.00022A ( 0.22mA) [因為交流電的波形關係,這個值會有錯誤]

如果以絕緣測試值來計算

500V / 1000000ohm = 0.0005A ( 0.5mA)

那麼11kV系統中,例書並沒有例出要求。

這樣一來,最低數值是多少少算是合格呢?

算一算吧。參照低壓要求的0.022mA容許漏電水平。

11000 / 1.732 = 6600V

6600V / 0.00022A ( 0.22mA) = 30,000,000ohm (30Mohm)[當然這個值也是會有錯誤]

6600V / 0.0005A ( 0.5mA) = 13,200,000ohm (13.2Mohm)[也不可能用這個值]

因為高壓系統常以5000V來做測試

5000V / 0.0005A ( 0.5mA) = 10,000,000ohm (10Mohm)

不過在高壓系統,我們還會加入更高的安全系數。

也有由顧問公司計算後定出,以2500V來做測試,要求不少於500Mohm。

那容許的漏電電流為:

2500V / 500,000,000ohm (500Mohm) = 0.000,000,5A(0.5uA)

把安全系提高,當然可以有效防止故障發生,但同時也意味著維護成本的增加。

而然也該以其他因素來決定。

真實案例 1:
在某間公司的某個保養工程,在完工時,那條11kV電纜只量得少於1Mohm的絕緣阻值,在當值工程師與註埸工程師相討後,仍決定先把電源重啟,當然已經是個非常危險的水平,隨時開啟電源時會發生爆炸,幸好沒有出現這個情況。

那時的最少漏電電流便假設會是:
5000V / 1,000,000ohm (1Mohm) = 0.005A (5mA)
如果電纜在某一位置,出現雪崩效應。電纜便會即時發生11kV的相對相故障。

雪崩效應 - 意指就像雪崩一樣,起初可能只是一個很少的雪球掉落,但把附近已經髹散的雪堆推倒,在產生連鎖反應下,引致更多積雪崩塌,形成雪崩。

真實案例 2:
有次在一個132kV的11kV接線柱上以1000V的低壓絕緣錶來測試(本人學徒期),出奇地指針直接彈進0的位置,這時三菱的工程師要求的用酒精把整個範圍抺一次,完成後再測試一次,也是出奇地指針出現了兩極反應,指針近乎沒有移動。

在進行大型高壓或低壓電動機的維修時,常會以數個500瓦的射燈來照射,用意當然是避免線圈吸收水份,影響絕緣值(極化指數)


絕緣等級 Y 耐熱溫度 90

 絕緣等級 A 耐熱溫度 105

 絕緣等級 E 耐熱溫度 120

 絕緣等級 B 耐熱溫度 130

 絕緣等級 F 耐熱溫度 155

 絕緣等級 H 耐熱溫度 180

 絕緣等級 C 耐熱溫度 180以上

  

馬達的絕緣等級是指其所用絕緣材料的耐熱等級,分AEBFH級。允許温升是指馬達的温度與周圍環境温度相比升高的限度。

絕緣的温度等級 A級、E級、B級、F級、H

最高允許温度(℃) A105E120B130F155H180

線圈温升限值(K  A60E75B80F100H125

性能参考温度(℃) A80E95B100F120H145

温升測試方法(熱電阻法)

工具在空氣中,以正常負載下運轉直到温度稳定(建意如果有多檔運轉速度,最好都測試一下)。在轉矩固定時調整到0.94倍額定電壓或1.06倍額定電壓或電壓範圍平均值運轉(一般運轉4個小時,待温升稳定後),取裡面最不好的温升值。

線圈温升值用下列公式計算:

t= (R2-R1)/R1k+t1-t2-t1

這裡:

t是温升;

R1是試驗開始時的電阻;

R2是試驗結束時的電阻;

K是銅線圈為234.5,鋁線圈為225

t1是試驗開始時的室温;

t2是試驗結束時的室温。(注意是環境的温度,而非馬達本身的温度或馬達附近的温度)

在試驗開始時,線圈應在室温下。用下述方法確定試驗結束時線圈的電阻:在開關斷開後盡可能立即測量電阻,然後以短的時間間隔再測量幾次電阻,以便作出電阻對時間的曲線来確定開關斷開瞬間的電阻值。(等馬達停止運轉後再測試)

一般國内的小馬達在没有什麼特殊情况的條件下,採用的絕緣等級為B級。出口到的產品一般要求達到F級。

 

絕緣種類

(1)class Y 90由棉紗、絲、紙等購成,未滲透絕緣漆(Varnish)或未浸入油中.

(2)class A 105由棉紗、絲、紙等購成,滲透透明漆或浸入油中.

(3)class E 120

(4)class B 130如雲母、石棉、玻璃纖維等材料,藉適當的黏合劑所構成

(5)class F 150如雲母石棉、玻璃纖維等材料,藉(Sillicon Alkyd resin)或具同等性之黏合劑所構成

(6)class H 180例如雲母、石棉、玻璃纖維等材料,藉(Sillicon resin)

(7)class C 180℃以上 例如單獨使用生雲母、石綿或瓷等,或藉黏合劑所構成。

相關詞:

馬達絕緣等級,變壓器絕緣等級 絕緣等級分類 絕緣等級規範 絕緣等級 f,絕緣等級 英文 線圈絕緣等級 絕緣等級b 絕緣等級h 絕緣等級 class

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電感知識基礎 (踏入50萬瀏覽量第五文)

電感知識基礎

電感(Inductance)係導體嘅一種性質,當有電流流經一個線圈時,導體會產生電動勢底抗電流的增加,這個電感是自感(Self-inductance,用字母「L」表示)。由於電磁感應的關係,一個電路電流時會產生磁場,磁場又會令其他圈線產生電動勢,這個電感是互感(Mutual inductance,用字母「M」表示)。電感用方程式表達係:


其中, =電動勢, =電感, =電流,=時間。

電感的國際單位係亨利(henry),符號:H,來自美國科學家約瑟·亨利的名字。1 享利為電路每秒內 1 安培電流的變化,會產生 1 伏特感應電動勢。

由於1H的單位是非常大的數值,因此mH或uH會比較常用。

甚麼是電感器?
有時稱為「電感器」,也會稱為「線圈」亦有稱為「鎮流器」這些名稱會因為用途而給予不同名稱,常用的圖案為「彈簧形」的電感器。 電感器與電阻器R、電容器C一樣,都是被動元件的重要組成部分,在電氣計算或電器產品中也是經常會出現。


電流通過一線拉直的電線時,將會以電線為中心而產生同心圓形狀的磁場,此時電線的圈數為1匝。如果將電線彎成中的「彈簧形」,電感器內部的磁通量將指向同一方向,而增強。透過調整圈數,可以產生與圈數成正比的磁場。這就是電感器的原理。 電流通過電感器會產生磁場;相反地,磁場變化則會產生電流。

導體主要是以銅來製造,主要原因便是有良好導電性之外,其價值也不算昂貴,其次是以價格平宜的鋁為材料。

一、磁測儀器、設備
  常用的磁測儀器有:磁通計、特斯拉計(又稱爲高斯計)、磁測儀。磁通計用於測量磁感應通量,特斯拉計用於測量表面磁場強度或氣隙磁場強度,磁測儀用於測量綜合磁性能。所有儀器使用之前應仔細閱讀說明書,根據說明書的要求預熱,預熱之後按照說明書的要求進行操作。
二、應用特斯拉計(高斯計)測量
  特斯拉計一般可用於測量磁性材料的表面磁場強度,具體而言就是測量表面中心部位的場強。
  測量之前應根據說明書的要求進行預熱,然後檢查、調整零點,使得非測量狀態下的示值爲"0"。注意:在使用過程中一般不應調整霍爾電流。更換探頭時應根據探頭的說明在儀器熱態下調整霍爾電流,並在適當的部位標識霍爾電流參數值。可以經常檢查電流值,應爲規定的數值。
  測量表場的方法無法準確獲得**的磁參數(如剩磁、矯頑力、磁能積),通常以上下限標樣的中心場資料作爲參考資料來進行合格判別。此種方法對N、M系列可用,對H以上系列準確度要差一些。一般而言可以按照下述公式計算不同尺寸(圓柱或圓片)的中心場:  
         H=Br*K/√(1+5.28*K*K)                (Gs)      

      式中:Br--標稱剩磁
     K--圓柱、圓片的長徑比或方塊磁化方向與另二個方向中較短邊長之比。

               對於長寬相差較大的産品K=取向長度/SQR(長*寬)
      更準確的計算公式:
     
         H=Br*K/√(1+(4+32/L)*K*K) (Gs)
              L--方塊磁化方向的長度
              32--探頭的測試係數參數(0.5*64)
    特斯拉計探頭內霍爾片位置的確定:一般而言,霍爾片只有大約1*1~2*3平方毫米左右大小的面積,厚度約0.3~0.5毫米,且不在探頭的*前部,有時需要確定霍爾片的位置,可以採用如下的方法來判斷霍爾片的位置:將探頭在充磁産品的表面,此時特斯拉計示值不爲零,探頭一直向外側延伸探出,當特斯拉計示值爲零時即爲霍爾片的前邊部,用鉛筆或記號筆沿産品的外邊界線標記記號;將探頭向相反方向延伸(此時探頭只有一小部分接觸在磁體上),當特斯拉計示值爲零時在做記號,兩個記號的中位置即爲霍爾片的實際位置。確定霍爾片位置時應用直徑大於10~15毫米的産品。
    特斯拉計的優點是可以測試大方塊不同位置的表場大小、小圓柱或圓片兩個端面的磁場大小,確定一塊(個)産品磁性能的一致性。
    一、 應用磁通計測量
    磁通計一般是直接測量探頭線圈的磁感應通量,使用較多的是配以霍姆赫茲線圈,此種方法多是與標準樣品進行比較,進而進行産品的合格性判定。
    磁通計使用之前,一定要按照要求進行預熱,使用中要調整好積分漂移,使漂移量在規定的範圍之內。每次測量之前要重定清零,釋放掉積分電容的殘留電荷或漂移積分電荷。
    當磁體的磁路閉合時,可以使用磁通計測量、計算剩磁,具體計算方法是:
         Br=Φ/N/S
          式中: Φ--磁通量
              N--線圈匝數
              S--磁體橫截面積
    應用磁通計進行産品的合格性檢驗時,被測樣品和線圈的相對位置一定要與"標準樣品的和線圈的相對位置"相同。如果産品的性能範圍有嚴格的要求,應保存上限性能的産品、下限性能的産品,以進行檢驗定標、檢驗。

  二、 應用磁測儀測量
  磁測儀測量的磁學資料相對較全,可以測量、記錄退磁曲線,獲得較爲齊全的磁學參數。詳細請參照設備的說明書,請恕這裏不做贅述。
  異形産品的測量,有時需要製作特殊的工裝,測量時要進行特殊的計算,避免造成測量錯誤。具體參照磁測儀的說明或有關磁學的資料。
  三、 具有不同使用溫度要求産品的測量
    當産品有使用溫度要求的用戶,有磁測儀的可以採用先飽和充磁,再在規定的溫度之下烘烤或水煮、油煮,然後直接測試、記錄退磁曲線。當參數要求更多時可以由供應商提供産品測試曲線或通過第三方進行測試獲取有關參數,不建議用戶購置"溫度特性磁測儀"(因其價格較高,也不可能經常使用)。
  四、 磁測量的有關特別說明
   (1)、由於釹鐵硼磁性材料固有的不可逆損失的存在,重復測試的結果一般要比**測試的性能可能偏低一些;
   (2)、成品測試之後,很難用施加反向磁場的方法徹底退磁,對於有些産品而言,充磁之後對産品的安裝可能帶來不便;
   (3)、被測樣品無法採用磁場的方式退磁,只能進行時效退磁,其他方法的熱退磁有可能對材料造成不佳影響;熱退磁對塗層也有極爲有害的影響;
   (4)、鍍鎳的産品,由於鎳是鐵磁性物質,對原産品的外在性能有降低作用,請客戶在産品的塗層選擇、性能選擇時加以考量。
   (5)、無論磁通計、特斯拉計都無法獲得完整的磁性能參數;
   (6)、測試時樣品及環境溫度應在23~25℃的範圍內,且測試報告應注明測試時的環境溫度。
   (7)、一般而言較薄的産品無論電鍍與否均較難直接測量各片的磁性能參數,但可採用前面介紹的方法用磁通計測量來測量剩磁,配合特斯拉計測量中心場可以較爲可靠地判定N、M系列產品的性能。
  五、 關於充磁
  在磁體長度接近充磁線圈的情況下充磁時,磁體的垂直中心位置應與充磁線圈的垂直中心位置重合,這樣才能保證磁體兩端磁場強度相等,保證充磁的對稱性減小由於充磁方法的原因造成磁體兩端表面磁場強度相等。
  理論證明,充磁線圈兩端磁場強度是線圈的中心點的磁場強度是的1/2,在磁體接近充磁線圈的長度時,對於H、SH以上系列的産品有可能無法飽和充磁,當磁場強度不是足夠大時,即使時M、N系列的産品也無法飽和充磁。在一般情況下,充磁磁體的長度*好小於充磁線圈的2/3。
  六、 關於磁體的易磁化方向(取向方向)的判定
    對於正方形方塊、垂直軸向取向的圓柱都存在取向(易磁化方向)的識別問題,可以採用已充磁的産品或借用儀器進行識別,具體方法如下:
    1)、用已充磁的産品進行識別:對於正方形方塊,由於材料的各向異性,磁籌是按取向方向排列,因而取向方向易於磁化,磁化之後異極相吸吸力較大,而非取向方向的吸力則小,以次來識別判定取向方向;檢測用的磁鐵應稍大一些,過磁體小時吸力大小差異不易判別;對於垂直軸向取向的圓柱,一般只能用已充磁的磁體進行檢測:用磁鐵吸圓柱表面,將圓柱吸起,與地面垂直的方向即爲取向充磁方向;
    2)、利用GM800系列磁通計進行識別:可以在正方形材料上吸一塊磁鐵,磁鐵的方向與磁通線圈垂直,磁通值相對較大的一面爲取向面,與此面垂直的方向爲取向方向。




這條電源延長線上寫有Warning - Do not operate unless cord is fully uncoiled,為何有這個警告字眼呢?
電線本身由銅導體及絕緣膠皮組成,當只有銅時,它便只有電阻抗,但當也入絕緣膠皮後,它便形成電容性,因此亦增加了電容抗,而這條電線形成一個環時,它便會產生磁場,那管它是1000匝或是只有1匝,這時便會產生電感抗。(當然匝數愈多,磁場及電感抗便愈大)
其中一次真實案件,在第二間公司於3仔貨櫃碼頭進行保養時,某同事使用吸塵機清潔時,沒有把拖板輪的線全部拉出,在吸塵過程中該線路中的保護器件 - 微型斷路器MCB突然跳脫。原因便是3000多瓦的工業用吸塵機,再加上線圈上的磁場,製造了過載電流使其跳脫。





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2022年1月24日星期一

中壓應用中電流互感器 (踏入50萬瀏覽量第四文)

 本文以外地文章翻譯及修正為香港用語 :

中壓應用中電流互感器 (CT) 的 IEC 和 NEMA/IEEE 額定值:

量度(MCT)及保護(PCT)用途
首先,讓我們用幾句話來提醒自己一些基礎知識。 這是你必須知道的。 電流互感器 (CT) 旨在產生與初級電流準確成比例的次級電流。 它由一個初級繞組組成,外部母線或電纜穿過它(初級為1匝),或者它可以有一個初級繞組,引出兩端進行端接。

中壓開關設備電流互感器 (CT) 的 IEC 和 NEMA 額定值:

一個中壓電流互感器最多可以有三個獨立的次級繞組。 整個電流互感器組件用樹脂封裝在絕緣外殼內。 電流互感器用於量度或保護用途。

準確度等級和尺寸取決於個別應用——例如,電力公司計費量度的電流互感器將使用高準確度的電流互感器。

請注意,絕對不能讓使用中的電流互感器使得次級繞組開路,這一點非常重要。 這會產生極高的電壓,因為初級為1匝,如次級是100匝,使會產生100倍的電壓,這樣會對工作進行中的人員構成真正的危險。如在運作中的電流互感器一直開路狀態,使會使它燒毀 - 這也是條例中訂明電流互感器的線路中,不可以加入任何保護器件的原因。

好的,讓我們來看看電流互感器的 IEC 和後來的 NEMA 額定值。 部分評分說明有練習和實例,希望對大家更好的理解有所幫助。

1. IEC 額定值
1.1 額定一次電流:Ipr(A)
電流互感器的初級電流額定值必須大於它所監測的預期最大工作電流。

計費量度的電流互感器的一次電流額定值不應超過最大工作電流的 1.5 倍。 需要選擇保護 CT 的初級電流額定值,以便在故障期間達到保護啟動水平。

Ipr 的標準值為:10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75 A 和這些值的十進制倍數(來源:IEC 60044-1)

1.2 額定二次電流:Isr

CT 的次級電流額定值為 1 A 或 5 A。隨著越來越多的 CT 驅動設備變為數字化,具有 5 A 次級額定值的 CT 變得越來越不常見。 對於較長的次級電纜運行,具有 1 A 次級繞組的 CT 可以最大限度地減小變壓器和次級電纜的尺寸。

Standar1.3變比:Kn
這是次級繞組匝數與初級繞組匝數之比: Kn = Ns/Np = Ipr/Isr

1.4 額定熱短時耐受電流:Ith (kA)

這是 CT 可以承受的最高級別的 rms 初級故障電流,無論是熱的還是動態的,1 秒鐘都不會損壞。在中壓外殼中使用時,Ith 額定值應與整個開關設備的短時耐受額定值相匹配。

1.5 過流係數:Ksi
這是 CT 的短時耐受電流額定值與其初級電流額定值之比:

Ksi = Ith/Ipr

該係數表明製造 CT 的難度。較高的係數意味著物理上較大的 CT,這更難以製造。

如果 Ksi < 100 則易於製造
如果 Ksi 100 ~ 500 則很難製造,有一定的局限性
如果 Ksi > 500,則製造非常困難
1.6 額定一次迴路電壓:Up (kV)

初級電路額定電壓表示 CT 提供的絕緣水平。如果環型 CT 安裝在電纜或套管周圍,則絕緣水平可由電纜或套管提供。

1.7 額定頻率:fr (Hz)
此額定值必須與系統的工作頻率相匹配。標準頻率為 50 Hz 和 60 Hz。小心非常重要,因為 50 Hz CT 可用於 60 Hz 系統,但 60 Hz CT 不能用於 50 Hz 系統。

1.8 額定實際輸出功率(VA)
CT 次級可以提供的最大功率,以保證其準確性和性能。總和 VA(包括電纜、連接器和負載)不得超過 CT 的額定實際輸出功率。標準值為:1、2.5、5、10、15 VA。

電纜負荷可以通過以下方式計​​算: VAcable = k × L/S,其中:

k = 0.44(5 A 次級),= 0.0176(1 A 次級)
L = 電纜的總進/回長度 (m)
S = 銅纜截面積(mm2)
計量儀表負擔:

計量儀表(數字)= 1 VA(大約)
計量儀表(電磁或感應)= 3 VA(大約)
傳感器(自供電)= 3 VA(大約)
保護儀器負擔:

保護儀表(數字)= 1 VA(大約)
保護儀表(電磁過電流)= 3-10 VA(大約)
1.8.1 練習
練習 #1 – 使用 2.5 mm2 銅電纜將帶有 1 A 次級的 CT 連接到 10 m 外的電磁電流表。

計算 CT 所需的最小 VA 額定值。

VAcable = k × L/S = 0.0176 × 20/2.5 = 0.14 VA
VA 安培計 = 3 VA
VAtotal = 0.14 + 3 = 3.14 VA
總負擔為 3.14 VA。使用 5 VA CT。


練習 #2 – 使用 1.5 mm2 銅纜將具有 5 A 次級電流的 CT 連接到 2 m 外的數字保護繼電器。

計算 CT 所需的最小 VA 額定值。

VAcable = k × L/S = 0.44 × 4/1.5 = 1.17 VA
VA 安培計 = 1 VA
VAtotal = 1.17 + 1 = 2.17 VA
總負擔為 2.17 VA。使用 2.5 VA CT。


1.9 計量類
計量等級表示 CT 二次電流在額定一次電流的 5% 至 125% 時的準確度。高於此水平,CT 開始飽和,次級電流被削波以保護連接的計量儀器的輸入。

一般計量 CT 將使用計量等級 CL 0.5 – 1.0
收入計量 CT 將使用計量等級 CL 0.2 – 0.5
在哪裡:

飽和
線性工作範圍,精度等級公差


1.10 防護等級 CT
保護等級 CT 在高過載水平下提供初級到次級電流的線性變換。這一特性使其適合與過電流保護繼電器一起使用。

繼電器跳閘設置通常為最大負載電流的 10~15 倍,該水平應落在 CT 二次電流曲線的線性部分。如果在達到繼電器跳閘水平之前 CT 飽和,則故障將無法檢測到,從而導致設備損壞和人員嚴重危險。

最常用的保護等級是 5PX,其中 X 是準確度限制因子 (ALF) 或額定初級電流的倍增因子。次級電流在額定初級電流下準確度為 +/-1%,在 X 倍額定初級電流下準確度為 +/-5%。
典型的保護等級 CT 額定值為 5P10、5P15、5P20。

在哪裡:

飽和
線性工作範圍,精度等級公差
理想保護設定跳閘區 50%~100% ALF


1.10.1 示例
200/1 A CT 的防護等級為 5P15。次級電流保證線性高達額定初級電流的 15 倍。次級電流在 200 A 初級電流時為 1 A (+/-1%),在 3000 A 初級電流時為 15 A (+/-5%)。

為保證運行,任何過流脫扣設置應在 7.5 ~ 15 A 二次電流之間。

1.11 電流互感器的選擇
選擇 CT 的主要考慮因素是初級和次級電流比、實際輸出功率 (VA) 和精度等級。 二次選擇考慮因素是額定一次電壓、頻率和熱短時耐受電流。

1.11.1 初級和次級電流比
額定初級電流:Ipr (A)

源 額定初級電流 Ipr (A)
來自變壓器的 Ipr ≥ 1.0-1.25 標稱源電流
變壓器饋線 Ipr ≥變壓器額定一次電流的 1.0-1.25
饋線至電機 Ipr ≥ 電機滿載電流的 1.0-1.5
饋線至電容器組 Ipr ≥ 1.3-1.5 的標稱電容器電流

額定二次電流:Isr (A)

使用 1 A 和 5 A 進行本地安裝
使用 1 A 進行遠程安裝


1.11.2 實際輸出功率(VA)
CT 的實際輸出額定值必須是高於 CT 次級預期總負載的下一個最高標稱尺寸。 總負擔是輸出電纜、連接器和儀器的總和。



1.11.3 類類型
使用計量等級 CT 進行計量和指示。 更高等級的 CT 在初級和次級電流之間提供更高的準確度。

對基於電流的保護繼電器輸入使用 5PX 保護等級 CT。 必須選擇 ALF,使繼電器跳閘點位於次級電流曲線的線性部分,介於 ALF 的 50% 和 100% 之間。


1.11.4 練習
為以下變壓器輸入和饋線電路選擇合適的 CT。

在哪裡:

1. 變壓器來電總掣:
中壓/中壓變壓器 (TXR1):5 MVA,36/11 kV,10% Z
瞬時過電流脫扣設置 = 15 × In 用於斷開 CT1-2 的數字保護繼電器 (OC1)
電磁電流表(A)由 CT1-1 驅動

2.變壓器後總掣:
中壓/低壓變壓器 (TXR2):2 MVA,11/0.4 kV,5% Z
瞬時過電流脫扣設置 = 10 × In 用於斷開 CT2 的數字保護繼電器 (OC2)


練習 1 – 測量變壓器輸入電路的 CT1-1:
第 1 步 – 計算變壓器 TXR1 標稱次級電流:In (A)

In = S/(√3 × U) = 5000/(√3 × 11) = 262 A
TXR1 的次級電流為 262 A

第 2 步 – 計算最大值。 CT1 安裝時的預期短路電流:Isc (A)

忽略任何電源線或母線阻抗:
Isc = In × 100/Z = 262 × 100/10 = 2620 A
CT1 的最大預期短路電流為 2620 A

第 3 步 – 選擇計量 CT1-1 額定值:

一次額定電流:Ipr = (1.0-1.25) × In = (1.0-1.25) × 262 A
使用 300 A 的額定值

二次額定電流:Isr
使用 1 A 的額定值

短時耐受等級:Ith ≥ Isc
使用 10 kA 的額定值

一次迴路電壓:Up≥U
使用 12 kV 的額定值

實際輸出功率:對於電磁式儀表,通常 > 3 VA
使用 5 VA(這允許 2 VA 用於電纜負擔等)

精度等級
使用 Class 1.0(一般計量的通用類)


練習 2 – 變壓器輸入電路的保護 CT1-2:
第 1 步 – 選擇計量 CT 和保護 CT 共有的額定值

一次/二次額定電流:使用300/1 A
短時耐受額定值 [Ith]:使用 10 kA 額定值
初級電路電壓 [Up]:使用 12 kV 額定值

第 2 步 – 選擇實際輸出功率

實際輸出功率:對於數字式保護繼電器,通常 > 1VA
使用 2.5 VA(這允許 1.5 VA 用於電纜負擔等)

第 3 步 – 計算防護等級 5PX




1.11.4 練習
為以下變壓器輸入和饋線電路選擇合適的 CT。

初級額定電流 Ipr = (1.0 – 1.25) × In = (1.0 – 1.25) × 105
使用 150 A 的額定值

二次額定電流 Isr
使用 1 A 的額定值

短時耐受等級,Ith ≥ Isc
使用 10 kA 的額定值

初級電路電壓Up≥U
使用 12 kV 的額定值

實際輸出功率:對於數字型保護繼電器,通常 > 1 VA。
使用 2.5 VA(這允許 1.5 VA 用於電纜負擔等)

第 4 步 – 計算防護等級 5PX

保護繼電器 OC2 的瞬時跳閘電流水平設置為 10 × In
ITRIP = 10 × 105 = 1050 A(初級電流)
注意:在大多數數字保護繼電器中,跳閘電流水平是根據次級電流設置的。在這種情況下

ISEC = 3900/300 × 1 = 13.1 A
CT 次級的瞬時跳閘電流水平為 7 A
跳閘電流水平應介於精度限制因子 (ALF) 的 100% 至 50% 之間。使用 10 (5P10) 的 ALF,1050 A 的跳閘電流水平落在 100% 到 50% ALF 的範圍內,因此 5P10 保護等級 CT 是合適的。

100%(ALF) = 1.0 × 10 × 150 = 1500 A
50%(ALF) = 0.5 × 10 × 150 = 750 A
我們可能會注意到 750 ≤ 1050 ≤ 1500 A
使用防護等級 5P10


2. NEMA/IEEE 評級
這些額定值通常用於在北美裝置中製造或使用的電流互感器。除了規定的初級與次級標稱電流比外,該器件還具有格式中的整體準確度等級。

AC-CR-BU

在哪裡:

AC = 準確度等級
CR = 等級
BU = 最大負載(歐姆)

2.1 準確度等級
指定次級電流相對於初級額定電流的準確度。只有在不超過最大負荷的情況下才能保證這種準確性。

準確度等級 100% 初級電流下的容差
1.2 ±1.2 %
0.6 ±0.6 %
0.5 ±0.5 %
0.3 ±0.3 %


1.11.4 練習
為以下變壓器輸入和饋線電路選擇合適的 CT。

2.2 等級評定
指定設備的預期應用。

B = 用於計量應用
H = 用於保護應用。 CT 次級精度保證為額定初級額定電流的 5 至 20 倍


2.3 負擔
允許連接到電流互感器次級的最大負載,以保證精度等級。最大負擔包括二次電纜/電線、連接器和負載。

對於 5 A 次級,下表將負載(以歐姆為單位)轉換為 VA。

Ω 0.04 0.06 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 0.48 0.56 0.64 0.72 0.80
弗吉尼亞州 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20

塔貝拉

2.4 例子
0.5-B-0.1
此示例表明電流互感器的精度為 ±0.5%,最大允許二次負載為 0.1 Ω(或 5 A 二次 CT 上為 2.5 VA)。這是一種計量級額定電流互感器。


1.2-H-0.2
此示例表明電流互感器的精度為 ±1.2%,最大允許次級負載為 0.2 Ω(或 5 A 次級 CT 上的 5 VA)。這是一種防護等級額定電流互感器。


資料來源:

Aucom 的中壓應用指南
James C. Burke 的變電站工程
變電站中電流互感器和電線尺寸的選擇——Sethuraman Ganesan; ABB 公司

原文


IEC and NEMA/IEEE ratings of current transformers (CTs) in medium voltage applications

Metering and protection purpose

First, let’s remind ourselves of the basics in a few sentences. That is something you must know. A current transformer (CT) is designed to produce a secondary current which is accurately proportional to the primary current. It consists of a single primary winding, which an external busbar or cable runs through, or it can have a single primary bar, brought out to two ends for termination.


IEC and NEMA ratings of current transformers (CTs) for a medium voltage switchgear (photo credit: Energie Technik Becker GmbH)

A medium voltage current transformer can have up to three independent secondary winding sets. The entire current transformer assembly is encapsulated in resin, inside an insulated casing. Current transformers are used for metering or protection purposes.

The accuracy class and size depends on the individual application – for example, revenue metering would use high accuracy metering CTs.

Just to note, it’s very important to never leave the secondary winding of a CT open circuit. This creates extremely high voltages which pose a real danger to personnel.

Ok, let’s get on the IEC and later NEMA ratings of a current transformer. Some rating explanations have exercises and real examples, which I hope it will help for better understanding.

1. IEC Ratings

1.1 Rated primary current: Ipr (A)

The primary current rating of a CT must be greater than the expected maximum operating current it is monitoring.

Metering CT’s primary current rating should not exceed 1.5 times the maximum operating current. Protection CT’s primary current rating needs to be chosen so that the protection pick-up level is attained during a fault.

Standard values for Ipr are: 10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75 A, and decimal multiples of these values (source: IEC 60044-1)

1.2 Rated secondary current: Isr

The secondary current rating of a CT is either 1 A or 5 A. CTs with a 5 A secondary rating are becoming less common as more CT driven equipment becomes digital. For long secondary cable runs, CTs with 1 A secondary windings can minimize the transformer and secondary cable size.

1.3 Transformer ratio: Kn

This is the ratio of secondary to primary winding turns: Kn = Ns/Np = Ipr/Isr

1.4 Rated thermal short-time withstand current: Ith (kA)

This is the highest level of rms primary fault current which the CT can endure, both thermally and dynamically, for 1 second without damage. When used in a medium voltage enclosure, the Ith rating should match the short-time withstand rating of the entire switchgear.

1.5 Overcurrent coefficient: Ksi

This is the ratio of a CT’s short-time withstand current rating to its primary current rating:

Ksi = Ith/Ipr

This coefficient indicates how difficult it would be to manufacture a CT. A higher coefficient means a physically larger CT, which is more difficult to manufacture.

  • If Ksi < 100 it’s easy to manufacture
  • If Ksi 100 ~ 500 it’s difficult to manufacture, with certain limitations
  • If Ksi > 500 it’s  extremely difficult to manufacture

1.6 Rated primary circuit voltage: Up (kV)

The primary circuit voltage rating indicates the level on insulation provided by the CT. If a ring type CT is installed around a cable or bushing, the insulation level can be provided by the cable or bushing.

1.7 Rated frequency: fr (Hz)

This rating must match the system’s operating frequency. Standard frequencies are 50 Hz and 60 Hz. It’s very important to be cautios, because a 50 Hz CT can be used on a 60 Hz system, but a 60 Hz CT cannot be used on a 50 Hz system.

1.8 Rated real output power (VA)

The maximum power a CT secondary can deliver, to guarantee its accuracy and performance. The total sum VA (including cable, connectors and load) must not exceed the rated real output power of the CT. Standard values are: 1, 2.5, 5, 10, 15 VA.

Cable burden can be calculated the following way: VAcable = k × L/S, where:

  • k = 0.44 for 5 A secondary, = 0.0176 for 1 A secondary
  • L = total feed/return length of cable (m)
  • S = cross sectional area of copper cable (mm2)

Metering instrument burden:

  • Metering instrument (digital) = 1 VA (approx.)
  • Metering instrument (electromagnetic or induction) = 3 VA (approx.)
  • Transducer (self powered) = 3 VA (approx.)

Protection instrument burden:

  • Protection instrument (digital) = 1 VA (approx.)
  • Protection instrument (electromagnetic overcurrent) = 3-10 VA (approx.)

1.8.1 Exercises

Exercise #1 – A CT with a 1 A secondary is connected to an electromagnetic ammeter located 10 m away, using 2.5 mm2 copper cable.

Calculate the minimum required VA rating of the CT.

  • VAcable = k × L/S = 0.0176 × 20/2.5 = 0.14 VA
  • VAammeter = 3 VA
  • VAtotal = 0.14 + 3 = 3.14 VA

The total burden is 3.14 VA. Use a 5 VA CT. 


Exercise #2 – A CT with a 5 A secondary is connected to a digital protection relay located 2 m away, using 1.5 mm2 copper cable.

Calculate the minimum required VA rating of the CT.

  • VAcable = k × L/S = 0.44 × 4/1.5 = 1.17 VA
  • VAammeter = 1 VA
  • VAtotal = 1.17 + 1 = 2.17 VA

The total burden is 2.17 VA. Use a 2.5 VA CT. 



1.9 Metering class

A metering class indicates the accuracy of the CT secondary current at 5 to 125% of rated primary current. Above this level, the CT starts to saturate and the secondary current is clipped to protect the inputs of a connected metering instrument.

  • General metering CT would use a metering class CL 0.5 – 1.0
  • Revenue metering CT would use a metering class CL 0.2 – 0.5

Where:

  1. Saturation
  2. Linear operating range, at accuracy class tolerance



1.10 Protection class CT

A protection class CT provides a linear transformation of the primary to secondary current at high overload levels. This characteristic makes them suitable for use with overcurrent protection relays.

A relay trip setting is normally 10~15 times the maximum load current and this level should fall on the linear part of the CT secondary current curve. If a CT saturates before the relay trip level is reached, the fault will remain undetected, leading to equipment damage and serious danger to personnel.

The most commonly used protection class is a 5PX, where X is the accuracy limit factor (ALF) or multiplication factor of the rated primary current. The secondary current is +/-1% accurate at rated primary current and +/-5% accurate at X times rated primary current.

Typical protection class CT ratings are 5P10, 5P15, 5P20.

Where:

  1. Saturation
  2. Linear operating range, at accuracy class tolerance
  3. Ideal protection setting trip zone 50%~100% ALF


1.10.1 Example

200/1 A CT has a protection class rating of 5P15. The secondary current is guaranteed to be linear up to 15 times the rated primary current. The secondary current will be 1 A (+/-1%) at 200 A primary current and 15 A (+/-5%) at 3000 A primary current.

For guaranteed operation, any overcurrent trip setting should be between 7.5 ~ 15 A secondary current.

1.11 Selection of current transformers

The main considerations for selecting a CT are the primary and secondary current ratio, real output power rating (VA) and accuracy class. Secondary selection considerations are rated primary voltage, frequency and thermal short-time withstand current.


1.11.1 Primary and secondary current ratio

Rated primary current: Ipr (A)

SourceRated primary current Ipr (A)
Incomer from transformerIpr ≥ 1.0-1.25 of nominal source current
Feeder to transformerIpr ≥ 1.0-1.25 of transformer’s rated primary current
Feeder to motorIpr ≥ 1.0-1.5 of motor full load current
Feeder to capacitor bankIpr ≥ 1.3-1.5 of nominal capacitor current


Rated secondary current: Isr (A)

  • Use 1 A and 5 A for local installation 
  • Use 1 A for remote installation 


1.11.2 Real output power (VA)

The real output rating of the CT must be the next highest nominal size above the expected total burden on the CT secondary. Total burden is the sum of output cable, connectors and instruments.


1.11.3 Class type

Use a metering class CT for metering and indication. A higher class CT gives greater accuracy between the primary and secondary currents.

Use a 5PX protection class CT for current based protection relay inputs. The ALF must be selected so that the relay trip point lies on the linear part of the secondary current curve, between 50% and 100% of the ALF.


1.11.4 Exercise

Select appropriate CTs for the following transformer incomer and feeder circuits.


Where:

1. Transformer Incomer:

MV/MV transformer (TXR1): 5 MVA, 36/11 kV, 10% Z
Instantaneous overcurrent trip setting = 15 × In for digital protection relay (OC1) driven off CT1-2
Electromagnetic ammeter (A) is driven off CT1-1
2.Transformer Feeder:

MV/LV transformer (TXR2): 2 MVA, 11/0.4 kV, 5% Z
Instantaneous overcurrent trip setting = 10 × In for digital protection relay (OC2) driven off CT2


Exercise 1 – Metering CT1-1 for transformer incomer circuit:
Step 1 – Calculate transformer TXR1 nominal secondary current: In (A)

In = S/(√3 × U) = 5000/(√3 × 11) = 262 A
The secondary current for TXR1 is 262 A 

Step 2 – Calculated max. expected short circuit current at CT1 installation: Isc (A)

Ignoring any power cable or busbar impedances:
Isc = In × 100/Z = 262 × 100/10 = 2620 A
The maximum expected short circuit current at CT1 is 2620 A 

Step 3 – Select metering CT1-1 ratings:

Primary rated current: Ipr = (1.0-1.25) × In = (1.0-1.25) × 262 A
Use a rating of 300 A 

Secondary rated current: Isr
Use a rating of 1 A 

Short-time withstand rating: Ith ≥ Isc
Use a rating of 10 kA 

Primary circuit voltage: Up ≥ U
Use a rating of 12 kV 

Real output power: Typically > 3 VA for electromagnetic type meter
Use 5 VA (this allows 2 VA for cable burden, etc.) 

Accuracy Class
Use Class 1.0 (common class for general metering) 

Exercise 2 –  Protection CT1-2 for transformer incomer circuit:
Step 1 – Select ratings common to both the metering and protection CTs

Primary/secondary rated current: Use 300/1 A 
Short-time withstand rating [Ith]: Use 10 kA rating 
Primary circuit voltage [Up]: Use 12 kV rating 

Step 2 – Select real output power

Real output power: typically > 1VA for digital type protection relay
Use 2.5 VA (this allows 1.5 VA for cable burden, etc.) 

Step 3 – Calculate protection class 5PX

The instantaneous trip current level of protection relay OC1 is set to 15 × In.
ITRIP = 15 × 262 = 3930 A (primary current) 
Note: In most digital protection relays, the trip current levels are set with respect to the secondary current. In this case

ISEC = 3900/300 × 1 = 13.1 A
The instantaneous trip current level for the CT secondary is 13.1 A 
The trip current level should fall between 100 to 50% of the accuracy limit factor (ALF). Using an ALF of 10 (5P10), the trip current level of 3930 A falls outside the range 100% to 50% ALF, so a 5P10 protection class CT is not suitable.

100%(ALF) = 1.0 × 10 × 300 = 3000 A 
50%(ALF) = 0.5 × 10 × 300 = 1500 A 
We may notice that 1500 ≤ 3930 ≥ 3000 A. Using an ALF of 15 (5P15), the trip current level of 3930 A falls within the range 100% to 50% ALF so a 5P15 protection class CT is suitable.

100%(ALF) = 1.0 × 15 × 300 = 4500 A
50%(ALF) = 0.5 × 15 × 300 = 2250 A
We may notice that 2250 ≤ 3930 ≤ 4500 A. Use protection class 5P15 


Exercise 3 –  Protection CT2 for transformer feeder circuit:
Step 1 – Calculate transformer TXR2 nominal primary current: In (A)

In = S/(√3 × U) = 2000/(√3 × 11) = 105 A
The primary current for TXR2 is 105 A 

Step 2 – Calculated maximum expected short circuit current at CT2 installation: Isc (A)

Ignoring any power cable or busbar impedances
Isc = In × 100/Z = 105 × 100/5 = 2100 A
The maximum expected short circuit current at CT2 is 2100 A 

Step 3 – Select protection CT2 ratings

Primary rated current Ipr = (1.0 – 1.25) × In = (1.0 – 1.25) × 105
Use a rating of 150 A 

Secondary rated current Isr
Use a rating of 1 A 

Short-time withstand rating, Ith ≥ Isc
Use a rating of 10 kA 

Primary circuit voltage Up ≥ U
Use a ratings of 12 kV 

Real output power: Typically > 1 VA for digital type protection relay.
Use 2.5 VA (this allows 1.5 VA for cable burden, etc.) 

Step 4 – Calculate protection class 5PX

The instantaneous trip current level of protection relay OC2 is set to 10 × In
ITRIP = 10 × 105 = 1050 A (primary current) 
Note: In most digital protection relays, the trip current levels are set with respect to the secondary current. In this case

ISEC = 3900/300 × 1 = 13.1 A
The instantaneous trip current level for the CT secondary is 7 A 
The trip current level should fall between 100 to 50% of the accuracy limit factor (ALF). Using an ALF of 10 (5P10), the trip current level of 1050 A falls within the range of 100% to 50% ALF so a 5P10 protection class CT is suitable.

100%(ALF) = 1.0 × 10 × 150 = 1500 A 
50%(ALF) = 0.5 × 10 × 150 = 750 A 
We may notice that 750 ≤ 1050 ≤ 1500 A 
Use protection class 5P10 
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2. NEMA/IEEE Ratings
These ratings are typically used for current transformers manufactured or used in North American installations. As well as a stated primary to secondary nominal current ratio, the device also carries an overall accuracy rating in the format.

AC-CR-BU

Where:

AC = accuracy class
CR = class rating
BU = maximum burden (ohms)

2.1 Accuracy class
Designates the accuracy of the secondary current with respect to the primary rated current. This accuracy is only guaranteed provided the maximum burden is not exceeded.

Accuracy class Tolerance at 100% primary current
1.2 ±1.2 %
0.6 ±0.6 %
0.5 ±0.5 %
0.3 ±0.3 %


2.2 Class rating
Designates the intended application of the device.

B = for metering applications
H = for protection applications. The CT secondary accuracy is guaranteed at 5 to 20 times the nominal primary rated current


2.3 Burden
The maximum load allowed to be connected to the current transformer secondary, to guarantee the accuracy class. The maximum burden includes secondary cable/wire, connectors and the load.

The following table converts burden in ohms to VA, for a 5 A secondary.

Ω 0.04 0.06 0.08 0.12 0.16 0.20 0.24 0.28 0.32 0.36 0.40 0.48 0.56 0.64 0.72 0.80
VA 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20

tabela

2.4 Examples
0.5-B-0.1
This example indicates a current transformer with an accuracy of ±0.5%, and a maximum allowable secondary burden of 0.1 Ω (or 2.5 VA on a 5 A secondary CT). This is a metering class rated current transformer.


1.2-H-0.2
This example indicates a current transformer with an accuracy of ±1.2%, and a maximum allowable secondary burden of 0.2 Ω (or 5 VA on a 5 A secondary CT). This is a protection class rated current transformer.


Sources:

Medium Voltage Application Guide by Aucom
Electric Power Substations Engineering By James C. Burke
Selection of current transformers and wire sizing in substations – Sethuraman Ganesan; ABB Inc.



https://electrical-engineering-portal.com/iec-nema-ieee-ratings-current-transformers-cts#rated-primary-current

https://electrical-engineering-portal.com/iec-nema-ieee-ratings-current-transformers-cts


https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/magnetization-curve