Vnútorná konštrukcia a typy prúdových transformátorov

Jadro: Srdce každého transformátora prúdu

Magnetické jadro je jediný komponent vo vnútri prúdového transformátora, ktorý najviac definuje výkon. Slúži ako médium, cez ktoré sa energia z primárneho vodiča prenáša do sekundárneho vinutia pomocou elektromagnetickej indukcie. Tvar, materiál a plocha prierezu jadra určujú takmer všetky výkonové charakteristiky hotového zariadenia.

Geometria jadra

Väčšina jadier prúdových transformátorov sa vyrába v toroidnom (prstencovom) tvare. Táto geometria s uzavretou slučkou zaisťuje, že dráha magnetického toku je nepretržitá, čo minimalizuje únik toku a prispieva k vysokej presnosti. Toroidné jadrá sú štandardom v nástrojoch triedy príjmov a ochrany, pretože poskytujú veľmi nízke chyby fázového uhla pri menovitom prúde.

Pre transformátory prúdu vinutého typu používané v aplikáciách s vysokým pomerom alebo v špeciálnych aplikáciách môžu byť jadrá laminované v pravouhlých konfiguráciách alebo konfiguráciách v tvare C zostavené z pásov z elektrotechnickej ocele s orientovaným zrnom. Tieto laminované jadrá umožňujú výrobcovi presne prispôsobiť plochu prierezu pre cieľovú záťaž a triedu presnosti.

Materiály magnetického jadra

Výber materiálu magnetického jadra priamo riadi triedu presnosti transformátora, správanie saturácie a frekvenčnú odozvu. V tabuľke nižšie sú zhrnuté najbežnejšie možnosti:

Pre štandardné meranie výkonovej frekvencie pri 50 Hz alebo 60 Hz zostáva kremíková oceľ CRGO dominantnou voľbou, pretože má priaznivú rovnováhu medzi cenou, dostupnosťou a magnetickým výkonom. Zliatiny niklu a železa sú vyhradené pre presné meranie výnosov CT, kde sa chyby musia udržiavať v rozmedzí 0,1 % alebo 0,2 % v širokom rozsahu záťaže.

Laminovanie jadra a izolácia

Na zníženie strát vírivými prúdmi sú jadrá z kremíkovej ocele laminované do tenkých pásikov, typicky s hrúbkou 0,23 mm až 0,35 mm. Každá laminácia je potiahnutá tenkou izolačnou vrstvou – zvyčajne fosfátovou úpravou alebo organickým lakom – ktorá zabraňuje prúdeniu prúdu medzi vrstvami. Pevnejšia laminácia a tenšie pásy znižujú straty a hromadenie tepla počas podmienok trvalého preťaženia.

Sekundárne vinutie: Konverzia toku na merateľný signál

Sekundárne vinutie je navinuté priamo na jadro a je zodpovedné za produkciu výstupného prúdu, ktorý merajú prístroje, relé a merače. Fyzická konštrukcia tohto vinutia ovplyvňuje presnosť aj tepelný výkon.

Navíjací drôt a materiál vodiča

Prakticky všetky sekundárne vinutia sú navinuté zo smaltovaného medeného drôtu. Kombinácia vysokej elektrickej vodivosti, ťažnosti a dobre pochopiteľných teplotných charakteristík z nej robí štandardnú voľbu. V špecializovaných ľahkých konštrukciách sa príležitostne používa hliníkový drôt, hoci vyžaduje väčšie prierezy na dosiahnutie rovnakého cieľa odporu a vyžaduje starostlivé ukončenie, aby sa zabránilo korózii.

Priemer drôtu je vybraný tak, aby vyhovoval špecifikácii odporu sekundárneho vinutia (často nazývanej Rct - odpor sekundárneho vinutia). Nižší Rct umožňuje, aby bola väčšia časť dostupného sekundárneho EMP dodaná do externej záťaže a nie rozptýlená interne ako teplo. To priamo ovplyvňuje presnosť pri nízkej úrovni zaťaženia.

Technika navíjania a počet otočení

Počet závitov sekundárneho vinutia určuje transformačný pomer v kombinácii s primárnymi závitmi. Pre štandardný prúdový transformátor tyčového alebo okenného typu, kde primárny je jeden priechodný vodič, je počet primárnych závitov 1. Sekundárne závity sa potom nastavia tak, aby sa dosiahol požadovaný pomer – napríklad 200 závitov pre pomer 200:1 v transformátore 200 A / 1 A.

Vinutia sú rozmiestnené rovnomerne okolo toroidu, aby sa zabezpečila vyvážená magnetomotorická sila a minimalizoval sa únikový tok. Rovnomernosť je obzvlášť dôležitá pri vysoko presných konštrukciách, kde aj malé asymetrie v distribúcii vinutia môžu spôsobiť merateľné chyby fázového uhla.

Izolácia medzi vrstvami

Viacvrstvové vinutia vyžadujú medzivrstvovú izoláciu, aby sa zabránilo prerušeniu napätia medzi závitmi pri rôznych potenciáloch. Bežné medzivrstvové izolačné materiály zahŕňajú:

• Polyesterová filmová páska (typ Mylar) – používa sa v nízkonapäťových až strednonapäťových CT pre svoju rovnováhu dielektrickej pevnosti a tenkého profilu
• Polyimidová fólia (typ Kapton) – volí sa, keď prevádzkové teploty presahujú 130 °C alebo keď je potrebná veľmi tenká izolácia bez obetovania odolnosti voči napätiu
• Nomexový papier – používa sa v suchom prostredí s vysokou teplotou, kde by sa materiály na báze celulózy degradovali

Usporiadanie primárnych vodičov v konštrukcii prúdového transformátora

Primárna strana prúdového transformátora môže byť usporiadaná niekoľkými zreteľne odlišnými spôsobmi, z ktorých každý má za následok iný typ mechanickej konštrukcie. Toto je primárny základ pre klasifikáciu CT podľa fyzického dizajnu.

Konštrukcia prúdového transformátora typu tyče

Prúdový transformátor typu tyč používa pevný, vo výrobe nainštalovaný primárny vodič - zvyčajne medenú alebo hliníkovú tyč - ktorý prechádza stredom toroidnej alebo obdĺžnikovej zostavy jadra a vinutia. Jadro a sekundárne vinutie sú zapuzdrené okolo tejto tyče. Táto konštrukcia ponúka maximálnu mechanickú tuhosť a je preferovaná pre inštalácie rozvádzačov a prípojníc, kde sa menovité hodnoty primárneho prúdu pohybujú od 400 A do niekoľkých tisíc ampérov.

Pretože tyč je nastavená z výroby, CT tyčového typu nie je možné nastaviť v teréne. Menovitý primárny prúd je určený pri výrobe. Sú však mimoriadne stabilné počas desaťročí prevádzky, pretože v primárnej dráhe nie sú žiadne mechanické spoje, ktoré by sa mohli uvoľniť alebo korodovať.

Konštrukcia prúdového transformátora typu okna

CT okenného typu, niekedy nazývané prstencové alebo prstencové prúdové transformátory, pozostávajú z toroidného jadra navinutého so sekundárnou cievkou a uzavretého v kryte, ktorý má centrálny otvor. Primárny vodič – akýkoľvek kábel alebo prípojnica, ktorým preteká nameraný prúd – sa pri inštalácii jednoducho prevlečie cez tento otvor. Medzi telom CT a primárnym vodičom nie je vytvorené žiadne elektrické spojenie; transformátor pracuje čisto indukčne.

Tento dizajn je všestranný, pretože jeden model CT môže byť inštalovaný na vodiče rôznych prierezov, pokiaľ vodič fyzicky prejde cez okno. Okenné CT sa vo veľkej miere používajú v panelových doskách, monitorovaní káblov a pri dodatočnej montáži existujúcich inštalácií.

Konštrukcia transformátora prúdu

V navinutom prúdovom transformátore primárne vinutie pozostáva z jedného alebo viacerých závitov izolovaného medeného vodiča navinutého priamo na jadro vedľa sekundárneho. Toto usporiadanie sa používa, keď je primárny prúd relatívne nízky - zvyčajne pod 100 A - a jednopriechodový vodič by produkoval nedostatočný tok na presné meranie.

Pridaním dvoch, troch alebo viacerých primárnych závitov sa efektívny transformačný pomer znásobí bez potreby fyzicky väčšieho jadra. Navinutý CT s 5 primárnymi závitmi a 1 000 sekundárnymi závitmi má efektívny pomer 1 000:5 alebo 200:1, s 5-závitovým primárom poháňajúcim väčší tok pri rovnakom prúde vedenia, ako by mal jednoprúdový primár.

CT typu rany sú zvyčajne drahšie ako typy s tyčou alebo oknom pri rovnakom prúdovom hodnotení, pretože dodatočný proces navíjania zvyšuje prácu a izolácia primárneho vodiča musí byť dimenzovaná na plné medzifázové napätie systému.

Transformátor prúdu s deleným jadrom: Konštrukcia a aplikácie

The transformátor prúdu s deleným jadrom rieši konkrétny praktický problém: ako namontovať prúdový transformátor na vodič, ktorý nemožno odpojiť od napätia. Magnetické jadro je rozdelené na dve polovice pozdĺž presne opracovaného spoja. Závesový alebo západkový mechanizmus drží polovice počas prevádzky zatvorené a umožňuje ich oddelenie na inštaláciu.

Keď sú polovice jadra otvorené, CT možno umiestniť okolo živého kábla. Po zatvorení a zaistení je magnetický obvod kompletný a zariadenie funguje identicky ako pevné toroidné CT ekvivalentných rozmerov.

Kľúčovou inžinierskou výzvou v dizajne deleného jadra je minimalizácia vzduchovej medzery v spoji. Dokonca aj mikroskopická medzera v magnetickom obvode dramaticky zvyšuje požadovaný magnetizačný prúd a spôsobuje chyby, najmä pri nízkych úrovniach primárneho prúdu v blízkosti 5 % až 20 % menovitej hodnoty. Výrobcovia to riešia takto:

• Presné opracovanie lícovaných plôch s toleranciou pod 10 mikrometrov
• Použitie materiálov jadra s vysokou priepustnosťou, ktoré lepšie znášajú malé zvyškové medzery
• Pružinové západky, ktoré vyvíjajú konzistentnú upínaciu silu, aby boli polovice pevne spojené
• Nanokryštalické alebo amorfné materiály jadra, ktoré si zachovávajú nižšiu chybu aj pri mierne nedokonalom uzavretí

Split-core CT sú široko používané v energetickom audite, systémoch energetického manažmentu budov, dodatočne namontovaných paneloch na monitorovanie napájania a akejkoľvek aplikácii, kde je potrebné vykonať inštaláciu bez vypnutia monitorovaného okruhu. Sú dostupné v triedach presnosti od triedy 1 do triedy 0,5 v závislosti od materiálu jadra a kvality spoja.

Toroidný prúdový transformátor: Prečo dominuje tvar prstenca

Toroidný prúdový transformátor je zďaleka najbežnejšou konštrukciou používanou v modernom panelovom a inline meraní prúdu. Jeho charakteristickým znakom je jadro v tvare šišky, ktoré vytvára uzavretú magnetickú dráhu bez zámernej vzduchovej medzery (vo verziách s pevným jadrom) a bez odkrytých pólových plôch.

Magnetická účinnosť toroidného jadra

Pretože magnetický tok cirkuluje úplne vnútri materiálu jadra v toroidnom dizajne, v podstate žiadny tok neuniká do okolitého vzduchu. To má dva praktické dôsledky. Po prvé, magnetizačný prúd potrebný na vytvorenie pracovného toku je veľmi nízky, čo priamo znižuje chybu pomeru a fázový posun. Po druhé, toroidné CT je oveľa menej citlivé na polohu primárneho vodiča v okne - vlastnosť nazývaná odolnosť proti polohovým chybám - v porovnaní s dizajnom s obdĺžnikovým jadrom.

V dobre navrhnutom toroidnom CT predstavuje premiestnenie primárneho vodiča zo stredu okna do polohy mimo stredu menej ako 0,05 % dodatočnej chyby pomeru. V CT s pravouhlým jadrom môže rovnaký posun spôsobiť chyby presahujúce 0,3 %.

Výroba toroidných jadier

Toroidné jadrá pre prúdové transformátory sa vyrábajú jedným z troch spôsobov v závislosti od cieľového materiálu:

1. Jadrá vinuté páskou — Súvislý pás kremíkovej ocele, zliatiny niklu a železa alebo nanokryštalická páska sa špirálovito navinie okolo tŕňa a potom sa tepelne spracuje, aby sa uvoľnilo mechanické napätie spôsobené navíjaním. Táto metóda sa používa pre najvyššie stupne presnosti.
2. Skladané laminovacie jadrá — Jednotlivé dierované laminácie sú naskladané a prekladané, aby vytvorili prstenec, bežne používaný pre jadrá s väčším priemerom, kde by navíjanie pásky spôsobovalo nadmerné vnútorné napätie.
3. Práškové alebo spekané feritové jadrá — Používa sa pre vysokofrekvenčné aplikácie; ferit je lisovaný do toroidnej formy a spekaný pri vysokej teplote.

Izolačné systémy v prúdových transformátoroch

Izolácia CT musí vykonávať dve funkcie súčasne: izolovať vysokonapäťový primárny vodič od nízkonapäťového sekundárneho okruhu a chrániť zostavu vinutia a jadra pred degradáciou prostredia. Zvolený izolačný systém závisí od menovitého napätia, okolitého prostredia a mechanických požiadaviek aplikácie.

Živicové zapuzdrenie (epoxidové alebo polyuretánové tvarovanie)

Väčšina nízkonapäťových a strednonapäťových transformátorov prúdu používaných v meracích paneloch a rozvádzačoch sa vyrába odlievaním alebo vákuovým vstrekovaním epoxidovej živice okolo zostavy vinutého jadra. Tento proces, často nazývaný tvarovaná konštrukcia, vytvára pevné izolačné teleso bez dutín, ktoré:

• Poskytuje dielektrickú pevnosť presahujúcu 3 kV/mm pre štandardné epoxidové systémy
• Eliminuje prenikanie vlhkosti bez dodatočného tesnenia
• Mechanicky chráni jadro a vinutie pred vibráciami a otrasmi
• Umožňuje presnú rozmerovú kontrolu vonkajšieho telesa pre montáž na panel

Vákuová tlaková impregnácia (VPI) sa používa pri väčších zostavách, kde je odlievanie nepraktické. Vinutie sa ponorí do živice pod vákuom, aby sa odstránil zachytený vzduch, potom sa pred vytvrdením natlačí, aby sa živica vtlačila do každej dutiny.

Izolácia naplnená olejom

Vysokonapäťové transformátory prúdu nad 36 kV zvyčajne používajú minerálny olej ako primárne izolačné a chladiace médium. Navinuté jadro a sekundárna zostava sú umiestnené vo vnútri utesnenej kovovej nádrže naplnenej minerálnym olejom transformátorovej kvality. Izolácia z celulózového papiera je navinutá okolo primárneho vodiča vo viacerých vrstvách, čím sa vytvára povrchová vzdialenosť potrebná na to, aby odolala sieťovému napätiu.

Olejom plnené CT sú štandardom pre 110 kV, 220 kV a 500 kV inštalácie v prenosových rozvodniach. Pravidelné odbery vzoriek oleja a analýza rozpustených plynov umožňujú tímom údržby odhaliť začínajúcu degradáciu izolácie skôr, ako dôjde k poruchám.

Plynom izolované transformátory prúdu

V plynom izolovaných rozvodných zariadeniach (GIS) sú prúdové transformátory integrované do krytu GIS a ako izolačné médium používajú plynný fluorid sírový (SF6). Tieto CT majú rovnakú kompaktnú pôdorys ako okolité rozvádzače a nevyžadujú žiadnu údržbu kvapaliny, aj keď je potrebné monitorovať tlak a čistotu uzavretého plynového systému.

Suchý typ a vzduchom izolovaný dizajn

Pre vnútorné inštalácie v kontrolovanom prostredí pri napätiach do približne 36 kV ponúkajú CT suchého typu s použitím pevných izolačných materiálov (sklolaminát spájaný živicou, liata živica alebo Nomex) alternatívu k dizajnom naplneným olejom. Sú ľahšie, eliminujú riziko úniku oleja a zjednodušujú údržbu, aj keď sú citlivejšie na kondenzáciu a znečistenie, ak sa používajú v drsnom vonkajšom prostredí.

Klasifikácia prúdových transformátorov podľa typu konštrukcie

Nasledujúca tabuľka konsoliduje hlavné konštrukčné typy, ich typické prúdové rozsahy, možnosti presnosti a primárne aplikačné sektory:

Ako vnútorná konštrukcia ovplyvňuje presnosť a výkon

Výber správneho prúdového transformátora nie je len otázkou prispôsobenia pomeru prúdu. Vnútorná konštrukcia určuje, ako sa CT správa v rámci svojho prevádzkového rozsahu, pri zmenách záťaže, pri zvýšených teplotách a v prítomnosti harmonických.

Pomerová chyba a jej pôvod

Chyba pomeru vzniká, pretože magnetizačný prúd – prúd potrebný na vytvorenie toku v jadre – sa neobjaví na sekundárnom výstupe. Všetok magnetizačný prúd je odoberaný z primárnej časti, ale žiadny z nich nedosahuje záťaž. Čím väčší je magnetizačný prúd v porovnaní s primárnym prúdom, tým väčšia je chyba pomeru. Niklo-železné a nanokryštalické jadrá so svojou veľmi vysokou permeabilitou vyžadujú oveľa menší magnetizačný prúd ako jadrá z kremíkovej ocele, a preto dosahujú nižšie pomerové chyby pri rovnakom priereze jadra.

Chyba fázového posunu

Fázový posun je uhlový rozdiel meraný v oblúkových minútach medzi fázorom primárneho prúdu a fázorom sekundárneho prúdu (obrátený pre smer). Fázový posun je obzvlášť dôležitý pri meraní účinníka a energie, pretože aj malá uhlová chyba predstavuje chybu závislú od kosínusu vo výpočtoch vo watthodinách. Fázový posun 10 minút pri záťaži s účinníkom 0,5 môže spôsobiť chybu merania energie približne 0,5 %.

Záťaž a jej vplyv na presnosť

Sekundárna záťaž – celková impedancia pripojených prístrojov, odpor vodičov a reléové cievky – priamo ovplyvňuje výkon triedy presnosti. Väčšina špecifikácií triedy presnosti (IEC 61869, IEEE C57.13) definuje výkon pri menovitej záťaži a pri 25 % menovitej záťaže. CT špecifikované ako trieda 0,5 pri záťaži 5 VA bude fungovať v rámci chyby pomeru 0,5 % len vtedy, keď pripojená záťaž nepresiahne 5 VA. Prekročenie menovitého zaťaženia zvyšuje napätie sekundárneho terminálu, posúva jadro smerom k saturácii a znižuje presnosť.

Harmonický výkon

V inštaláciách pohonov s premenlivou rýchlosťou, oblúkových peciach a energetických systémoch dátových centier obsahuje primárny prúd významný obsah harmonických – často na 5., 7., 11. a 13. harmonickej. Štandardné jadrá z kremíkovej ocele vykazujú rastúce straty a skreslenie fázového uhla pri harmonických frekvenciách. Nanokryštalické a amorfné jadrá s plochou krivkou priepustnosti siahajúcou do niekoľkých kilohertzov poskytujú podstatne lepšiu presnosť skreslených priebehov a sú preferovanou voľbou pre analyzátory kvality energie triedy A.

Vonkajšie puzdro a montážne konfigurácie

Kryt prúdového transformátora chráni aktívne komponenty pred vplyvom prostredia a poskytuje mechanické rozhranie pre inštaláciu. Dizajn krytu sa medzi kategóriami použitia výrazne líši.

Tvarované puzdro na panel

Nízkonapäťové transformátory prúdu pre meracie panely sa takmer všeobecne vyrábajú v krytoch z polyesteru vystuženého sklenenými vláknami (GRP) alebo polykarbonátu vytvorených vstrekovaním okolo zostavy jadra z liatej živice. Kryt obsahuje montážne oká alebo príchytky na lištu DIN, sekundárne svorkovnice dimenzované na očakávaný výstupný prúd a označenie polarity (P1/P2 pre primárny, S1/S2 pre sekundárny) podľa noriem IEC.

Prúdové transformátory prúdu

Puzdrové CT sú prstencové zostavy navrhnuté tak, aby sa posúvali cez porcelánové alebo polymérové puzdro výkonového transformátora alebo ističa. Nemajú žiadne vlastné bývanie; namiesto toho sú upnuté medzi prírubu objímky a kryt nádrže transformátora. Priechodkové CT sú niektoré z najkompaktnejších dizajnov, pretože samotné puzdro poskytuje primárny vodič a izoláciu napätia.

Vonkajšie dizajny s porcelánovou a polymérovou izoláciou

Stredné a vysokonapäťové vonkajšie transformátory prúdu sú umiestnené v utesnených zostavách buď s porcelánovými alebo silikónovými kompozitnými izolátormi. Profil haly je navrhnutý tak, aby udržal primeranú povrchovú vzdialenosť v podmienkach znečistenia – norma IEC vyžaduje minimálnu povrchovú cestu 16 mm/kV pre mierne znečistené prostredie a až 31 mm/kV pre silne znečistené miesta. Kompozitné kryty zo silikónového kaučuku vo veľkej miere nahradili porcelán v nových inštaláciách kvôli nižšej hmotnosti, vynikajúcemu výkonu pri znečistení v kontaminovanom prostredí a odolnosti voči krehkému lomu.

Integrácia prúdových transformátorov do meracích systémov

Kompletný systém merania prúdu zahŕňa CT, prepojovacie vedenie a prijímací prístroj. The transformátor prúdu s deleným jadrom je z tohto dôvodu často preferovanou voľbou pri projektoch retrofitu – môže byť inštalovaný bez prerušenia prevádzky. Po inštalácii sa sekundárny CT pripája k meračom energie, analyzátorom výkonu alebo ochranným relé prostredníctvom vyhradených obvodov CT, ktoré musia byť počas prevádzky neustále zatvorené, aby sa predišlo nebezpečným sekundárnym prepätiam.

Normy presnosti a označenie tried

Triedy presnosti prúdových transformátorov sú definované medzinárodnými a regionálnymi normami. Dva najviac uvádzané sú IEC 61869-2 (predtým IEC 60044-1) a IEEE C57.13. Pochopenie označenia tried pomáha pri špecifikácii správneho CT pre aplikáciu.

IEC Metering Classes

IEC 61869-2 definuje triedy presnosti merania ako 0,1, 0,2, 0,2 S, 0,5, 0,5 S, 1 a 3. Prípona „S“ (špeciálna) označuje rozšírenú presnosť pri nízkom prúde – konkrétne CT musí spĺňať špecifikáciu pomerovej chyby až do 1 % menovitého prúdu namiesto štandardných 5 %. Trieda 0,5S a 0,2S sa vyžaduje pre merače spotreby elektrickej energie podľa mnohých regulačných rámcov, pretože záťaže často fungujú hlboko pod 100 % menovitého primárneho prúdu CT.

Triedy ochrany IEC

CT triedy ochrany sú určené ich limitným faktorom presnosti (ALF) a správaním v kolennom bode. Trieda 5P a 10P sú štandardné označenia, kde číslo označuje maximálnu zloženú chybu pri menovitom limitnom faktore presnosti. 5P20 CT udržiava zloženú chybu nepresahujúcu 5%, keď je primárny prúd 20-násobok menovitého prúdu - stav potrebný na spoľahlivú prevádzku nadprúdových relé počas poruchových stavov.

Triedy IEEE

Norma IEEE C57.13 používa kombináciu písmena a čísla: písmeno (C, K, T alebo X) označuje základ výkonu a číslo označuje napätie sekundárneho terminálu pri menovitej záťaži a 20-násobku menovitého prúdu. C200 CT môže dodať svoj menovitý sekundárny prúd do záťaže, ktorá vyvinie 200 V pri 20-násobku menovitého primárneho prúdu bez prekročenia 10 % chyby pomeru. Tento klasifikačný systém prevláda v severoamerickej praxi úžitkovej a priemyselnej ochrany.

Často kladené otázky