Экспериментальная оценка и анализ точности индукционных трансформаторов тока при реалистичных нелинейных и насыщенных гармониками нагрузках

Почему счётчики энергии могут тихо уходить в сторону

За каждым счётом за электроэнергию, защитным реле или «умным» счётчиком стоит скромное устройство — трансформатор тока. Его задача — уменьшать большие значения тока до безопасных, измеряемых уровней. В этой статье задаётся актуальный вопрос: по мере того как дома и производства наполняются электроникой, искажающей форму тока, можно ли по‑прежнему полагаться на эти давно испытываемые трансформаторы? Воссоздавая в лаборатории реальные условия с сильными искажениями, авторы подробно показывают, когда и как трансформаторы тока начинают вводить в заблуждение.

От аккуратных синусоид до беспорядочной реальности

В учебнике ток изображается как гладкая синусоида. В реальных зданиях же устройства типа приводов двигателей, телевизоров, разрядных ламп и источников питания «глотают» токи короткими, неравномерными импульсами. Такие «нелинейные» нагрузки наполняют ток дополнительными частотными составляющими — гармониками — и смещают магнитные сердечники трансформаторов из их комфортной рабочей области. Исследование сосредоточено на двух широко используемых низковольтных трансформаторах тока с номиналами 50/5 A и 100/5 A и изучает, насколько достоверно они воспроизводят как близкие к синусоиде токи, так и значительно более беспорядочные формы.

Реалистичный испытательный стенд в лаборатории

Чтобы исследовать этот вопрос, учёные собрали лабораторную установку, имитирующую промышленную практику. Источник переменного тока 230 В питает реальные приборы, собранные для создания семи различных условий нагрузки — от простой линейной работы до сильно импульсных, асимметричных токов. Прецизионный резистор в основном проводнике регистрирует «реальный» ток, а два трансформатора тока, включённые последовательно, дают свои уменьшенные копии. Цифровой осциллограф захватывает синхронизированные формы сигналов и вычисляет несколько ключевых показателей: действующее значение (RMS) тока, лежащее в основе начисления энергии; суммарные гармонические искажения (THD), показывающие, насколько форма волны отклоняется от чистой синусоиды; погрешность отношения между реальным и измеренным током; и фазовую погрешность, то есть сдвиг по времени между первичным и вторичным токами.

Что происходит при росте искажений и тока

При мягких, близких к синусоиде условиях оба трансформатора ведут себя в соответствии с паспортными данными. Они воспроизводят ток с малыми погрешностями по отношению, ниже 1%, и очень незначительными фазовыми сдвигами, а их собственные гармонические искажения лишь немного больше, чем у источника. Как только появляются нелинейные нагрузки, картина меняется. Импульсные, сильно искажённые токи вталкивают магнитные сердечники к насыщению. Трансформаторы начинают занижать или завышать реальный ток, демонстрируют большие погрешности отношения, которые могут превышать 40%, и вносят дополнительное заметное искажение. В то же время фаза вторичного тока уходит назад или вперёд относительно первичного на несколько градусов, что критично для защитных реле, которые должны реагировать за миллисекунды.

Высокий ток сам по себе может быть проблемой

Эксперименты также показали, что даже когда форма волны почти идеальна, простое увеличение уровня тока может нарушить общепринятые допущения. В одном испытании при чистой, но большой по амплитуде кривой, трансформатор 50/5 серьёзно недооценил реальное RMS‑значение тока: погрешности отношения превысили 60%, а THD взлетели выше 100% — явные признаки глубокого насыщения сердечника. Трансформатор с большим номиналом 100/5 показал себя лучше, но всё равно продемонстрировал значительные ошибки. Во всех семи случаях прослеживалась одна и та же закономерность: по мере роста либо уровня тока, либо содержания гармоник ошибки по амплитуде и фазе увеличиваются вместе, что показывает — классические классы точности, определённые только для синусоидальных испытаний, не описывают реальное поведение в современных искажённых сетях.

Что это значит для сетей и возможные решения

Для неспециалиста вывод прост: при сильных искажениях формы тока обычные трансформаторы тока могут делать токи меньшими или иными, чем они есть на самом деле, а их синхронизация может смещаться. Такое сочетание подрывает точность учёта, вводит в заблуждение при планировании сетей и может отсрочить или неправильно сработать системы защиты. Тщательно сопоставляя, как растут ошибки с увеличением искажений и нагрузки, это исследование даёт «эталонную правду», необходимую для улучшения стандартов и разработки более умных методов коррекции. Оно указывает на будущие решения: мониторинг ошибок в реальном времени, компенсацию гармоник и модели на базе искусственного интеллекта, предсказывающие выход трансформатора из безопасной рабочей зоны. В совокупности такие улучшения помогут сохранять честность измерительных устройств, даже когда наши энергосети всё больше заполняются нелинейной электроникой.

Цитирование: Daouli, B.H.L., Mana, H., Labiod, C. et al. Experimental evaluation and accuracy analysis of inductive current transformers under realistic nonlinear and harmonic-rich load conditions. Sci Rep 16, 8933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41709-7

Ключевые слова: трансформаторы тока, гармонические искажения, нелинейные нагрузки, точность измерений, качество электроэнергии