Vnitřní konstrukce a typy proudových transformátorů

Jádro: Srdce každého transformátoru proudu

Magnetické jádro je jedinou komponentou uvnitř proudového transformátoru, která nejvíce definuje výkon. Slouží jako médium, přes které se přenáší energie z primárního vodiče do sekundárního vinutí pomocí elektromagnetické indukce. Tvar, materiál a plocha průřezu jádra určují téměř všechny výkonnostní charakteristiky hotového zařízení.

Geometrie jádra

Většina jader proudových transformátorů se vyrábí v toroidním (kroužkovém) tvaru. Tato geometrie s uzavřenou smyčkou zajišťuje, že dráha magnetického toku je spojitá, což minimalizuje únik toku a přispívá k vysoké přesnosti. Toroidní jádra jsou standardní v přístrojích třídy výnosů a ochrany, protože poskytují velmi malé chyby fázového úhlu při jmenovitém proudu.

U vinutých proudových transformátorů používaných v aplikacích s vysokým poměrem nebo ve speciálních aplikacích mohou být jádra laminována v pravoúhlých konfiguracích nebo konfiguracích ve tvaru C sestavená z pásů elektrotechnické oceli s orientovaným zrnem. Tato laminovaná jádra umožňují výrobci přesně přizpůsobit plochu průřezu cílové zátěži a třídě přesnosti.

Materiály magnetického jádra

Výběr materiálu magnetického jádra přímo řídí třídu přesnosti transformátoru, chování při saturaci a frekvenční odezvu. Níže uvedená tabulka shrnuje nejběžnější možnosti:

Pro standardní měření výkonu a frekvence při 50 Hz nebo 60 Hz zůstává křemíková ocel CRGO dominantní volbou, protože má příznivou rovnováhu mezi cenou, dostupností a magnetickým výkonem. Slitiny niklu a železa jsou vyhrazeny pro přesné měření výnosů CT, kde chyby musí být udržovány v rozmezí 0,1 % nebo 0,2 % v širokém rozsahu zátěže.

Laminace a izolace jádra

Pro snížení ztrát vířivými proudy jsou jádra z křemíkové oceli laminována do tenkých pásků, typicky o tloušťce 0,23 mm až 0,35 mm. Každá laminace je potažena tenkou izolační vrstvou – obvykle fosfátovou úpravou nebo organickým lakem – která zabraňuje proudění mezi vrstvami. Pevnější laminace a tenčí pásy snižují ztráty a hromadění tepla během podmínek trvalého přetížení.

Sekundární vinutí: Převod toku na měřitelný signál

Sekundární vinutí je navinuto přímo na jádro a je zodpovědné za produkci výstupního proudu, který měří přístroje, relé a měřiče. Fyzická konstrukce tohoto vinutí ovlivňuje jak přesnost, tak tepelný výkon.

Navíjecí drát a materiál vodiče

Prakticky všechna sekundární vinutí jsou navinuta ze smaltovaného měděného drátu. Kombinace vysoké elektrické vodivosti, tažnosti a dobře srozumitelných teplotních charakteristik z ní dělá standardní volbu. Ve specializovaných lehkých konstrukcích se občas používá hliníkový drát, i když vyžaduje větší průřezy k dosažení stejného cíle odporu a vyžaduje pečlivé ukončení, aby se zabránilo korozi.

Průřez drátu je zvolen tak, aby vyhovoval specifikaci odporu sekundárního vinutí (často nazývané Rct — odpor sekundárního vinutí). Nižší Rct umožňuje, aby větší část dostupného sekundárního EMF byla dodána do vnější zátěže, spíše než aby se rozptýlila interně jako teplo. To přímo ovlivňuje přesnost při nízké úrovni zátěže.

Technika navíjení a počet otáček

Počet závitů sekundárního vinutí určuje transformační poměr v kombinaci s primárními závity. U standardního transformátoru proudu tyčového nebo okenního typu, kde primárním prvkem je jeden průchozí vodič, je počet primárních závitů 1. Sekundární závity jsou pak nastaveny tak, aby bylo dosaženo požadovaného poměru — například 200 závitů pro poměr 200:1 v transformátoru 200 A / 1 A.

Vinutí jsou rovnoměrně rozmístěna kolem toroidu, aby byla zajištěna vyvážená magnetomotorická síla a minimalizoval se únikový tok. Jednotnost je zvláště důležitá u vysoce přesných konstrukcí, kde i malé asymetrie v distribuci vinutí mohou způsobit měřitelné chyby fázového úhlu.

Izolace mezi vrstvami

Vícevrstvá vinutí vyžadují mezivrstvou izolaci, aby se zabránilo průrazu napětí mezi závity při různých potenciálech. Mezi běžné mezivrstvové izolační materiály patří:

• Polyesterová filmová páska (typ Mylar) – používá se v nízkonapěťových až středněnapěťových CT pro svou rovnováhu dielektrické pevnosti a tenkého profilu
• Polyimidová fólie (typ Kapton) – vybírá se, když provozní teploty překračují 130 °C nebo když je potřeba velmi tenká izolace bez obětování odolnosti vůči napětí
• Papír Nomex – používá se v suchém prostředí s vysokou teplotou, kde by se materiály na bázi celulózy rozkládaly

Uspořádání primárních vodičů v konstrukci proudových transformátorů

Primární strana proudového transformátoru může být uspořádána několika výrazně odlišnými způsoby, z nichž každý má za následek jiný typ mechanické konstrukce. Toto je primární základ pro klasifikaci CT podle fyzického návrhu.

Konstrukce proudového transformátoru typu tyče

Proudový transformátor tyčového typu používá pevný, ve výrobě instalovaný primární vodič – obvykle měděnou nebo hliníkovou tyč – který prochází středem toroidní nebo obdélníkové sestavy jádra a vinutí. Jádro a sekundární vinutí jsou zapouzdřeny kolem této tyče. Tato konstrukce nabízí maximální mechanickou tuhost a je preferována pro instalace rozvaděčů a přípojnic, kde se jmenovité hodnoty primárního proudu pohybují od 400 A do několika tisíc ampér.

Vzhledem k tomu, že tyč je nastavena z výroby, nelze CT tyčového typu nastavit na místě. Jmenovitý primární proud je stanoven při výrobě. Jsou však extrémně stabilní po desetiletí provozu, protože v primární dráze nejsou žádné mechanické spoje, které by se mohly uvolnit nebo zkorodovat.

Konstrukce proudového transformátoru typu okna

CT okenního typu, někdy nazývané prstencové nebo prstencové proudové transformátory, sestávají z toroidního jádra navinutého se sekundární cívkou a uzavřeného v pouzdře, které má centrální otvor. Primární vodič – ať už kabel nebo přípojnice vede měřený proud – se při instalaci jednoduše provlékne tímto otvorem. Mezi tělem CT a primárním vodičem není vytvořeno žádné elektrické spojení; transformátor pracuje čistě indukčně.

Tato konstrukce je všestranná, protože jeden model CT lze nainstalovat na vodiče různých průřezů, pokud vodič fyzicky projde oknem. Okenní CT se široce používají v panelových deskách, monitorování kabelů a dovybavení stávajících instalací.

Konstrukce transformátoru vinutého proudu

U vinutého proudového transformátoru se primární vinutí skládá z jednoho nebo více závitů izolovaného měděného vodiče navinutého přímo na jádro vedle sekundárního. Toto uspořádání se používá, když je primární proud relativně nízký – obvykle pod 100 A – a jednoprůchodový vodič by produkoval nedostatečný tok pro přesné měření.

Přidáním dvou, tří nebo více primárních závitů se efektivní transformační poměr znásobí, aniž by bylo potřeba fyzicky větší jádro. Vinutý CT s 5 primárními závity a 1 000 sekundárními závity má efektivní poměr 1 000:5 nebo 200:1, přičemž 5závitový primár pohání větší tok pro stejný proud ve vedení než jednočinný primár.

Proudové transformátory proudu vinutého typu jsou při stejném jmenovitém proudu obvykle dražší než typy s tyčí nebo s okny, protože proces dodatečného navíjení zvyšuje pracnost a izolace primárního vodiče musí být dimenzována na plné napětí mezi linkami systému.

Proudový transformátor s děleným jádrem: Konstrukce a aplikace

The transformátor proudu s děleným jádrem řeší konkrétní praktický problém: jak nainstalovat proudový transformátor na vodič, který nelze odpojit nebo odpojit. Magnetické jádro je rozděleno na dvě poloviny podél přesně obrobeného spoje. Závěs nebo západkový mechanismus drží poloviny zavřené během provozu a umožňuje jejich oddělení pro instalaci.

Když jsou poloviny jádra otevřené, může být CT umístěn kolem živého kabelu. Po uzavření a zajištění je magnetický obvod kompletní a zařízení funguje identicky jako pevný toroidní CT ekvivalentních rozměrů.

Klíčovou technickou výzvou v konstrukci děleného jádra je minimalizace vzduchové mezery ve spoji. Dokonce i mikroskopická mezera v magnetickém obvodu dramaticky zvyšuje požadovaný magnetizační proud a zavádí chyby, zejména při nízkých úrovních primárního proudu blízko 5 % až 20 % jmenovité hodnoty. Výrobci to řeší takto:

• Přesné opracování styčných ploch s tolerancí pod 10 mikrometrů
• Použití vysoce propustných materiálů jádra, které lépe snášejí malé zbytkové mezery
• Pružinové západky, které vyvíjejí konzistentní upínací sílu, aby byly poloviny pevně spojeny
• Nanokrystalické nebo amorfní materiály jádra, které si zachovávají nižší chybu i při mírně nedokonalém uzavření

Split-core CT jsou široce používány v energetickém auditu, systémech energetického managementu budov, dodatečně instalovaných panelech pro monitorování napájení a v jakékoli aplikaci, kde musí být instalace provedena bez vypnutí monitorovaného okruhu. Jsou k dispozici ve třídách přesnosti od třídy 1 až po třídu 0,5 v závislosti na materiálu jádra a kvalitě spoje.

Toroidní proudový transformátor: Proč dominuje prstencový tvar

Toroidní proudový transformátor je zdaleka nejběžnější konstrukcí používanou v moderním panelovém a inline měření proudu. Jeho charakteristickým znakem je jádro ve tvaru koblihy, které vytváří uzavřenou magnetickou dráhu bez záměrné vzduchové mezery (ve verzích s pevným jádrem) a bez odkrytých čel pólů.

Magnetická účinnost toroidního jádra

Protože magnetický tok cirkuluje zcela uvnitř materiálu jádra v toroidním provedení, v podstatě žádný tok neuniká do okolního vzduchu. To má dva praktické důsledky. Za prvé, magnetizační proud potřebný k vytvoření pracovního toku je velmi nízký, což přímo snižuje poměrovou chybu a fázový posun. Za druhé, toroidní CT je mnohem méně citlivé na polohu primárního vodiče v okně – vlastnost nazývaná odolnost proti polohové chybě – ve srovnání s konstrukcemi s obdélníkovým jádrem.

U dobře navrženého toroidního CT přináší přesun primárního vodiče ze středu okénka do mimostředové polohy méně než 0,05 % dodatečné chyby poměru. U CT s obdélníkovým jádrem může stejný posun způsobit chyby přesahující 0,3 %.

Výroba toroidních jader

Toroidní jádra pro proudové transformátory se vyrábějí jedním ze tří způsobů v závislosti na cílovém materiálu:

1. Jádra vinutá páskou — Souvislý pás křemíkové oceli, slitiny niklu a železa nebo nanokrystalický pásek se spirálovitě navine kolem trnu a poté se tepelně zpracuje, aby se uvolnilo mechanické napětí způsobené během navíjení. Tato metoda se používá pro nejvyšší stupně přesnosti.
2. Složená laminovací jádra — Jednotlivé děrované laminace jsou naskládány a prokládány do prstence, běžně používaného pro jádra s větším průměrem, kde by navíjení pásky způsobovalo nadměrné vnitřní pnutí.
3. Prášková nebo slinutá feritová jádra — Používá se pro vysokofrekvenční aplikace; ferit je lisován do toroidní formy a slinován při vysoké teplotě.

Izolační systémy v proudových transformátorech

Izolace CT musí plnit dvě funkce současně: izolovat vysokonapěťový primární vodič od nízkonapěťového sekundárního obvodu a chránit sestavu vinutí a jádra před degradací prostředí. Zvolený izolační systém závisí na jmenovitém napětí, okolním prostředí a mechanických požadavcích aplikace.

Zapouzdření do pryskyřice (epoxidová nebo polyuretanová výlisek)

Většina nízkonapěťových a středněnapěťových proudových transformátorů používaných v měřicích panelech a rozvaděčích se vyrábí litím nebo vakuovým vstřikováním epoxidové pryskyřice kolem sestavy vinutého jádra. Tento proces, často nazývaný tvarovaná konstrukce, vytváří pevné izolační těleso bez dutin, které:

• Poskytuje dielektrickou pevnost přesahující 3 kV/mm pro standardní epoxidové systémy
• Eliminuje pronikání vlhkosti bez dodatečného těsnění
• Mechanicky chrání jádro a vinutí před vibracemi a nárazy
• Umožňuje přesnou rozměrovou kontrolu vnějšího tělesa pro montáž do panelu

Vakuová tlaková impregnace (VPI) se používá u větších sestav, kde je odlévání nepraktické. Vinutí se ponoří do pryskyřice ve vakuu, aby se odstranil zachycený vzduch, a poté se před vytvrzením natlakuje, aby se pryskyřice vtlačila do každé dutiny.

Izolace naplněná olejem

Vysokonapěťové proudové transformátory dimenzované nad 36 kV obvykle používají minerální olej jako primární izolační a chladicí médium. Navinuté jádro a sekundární sestava jsou umístěny uvnitř utěsněné kovové nádrže naplněné minerálním olejem transformátorové kvality. Izolace z celulózového papíru je navinuta kolem primárního vodiče ve více vrstvách, čímž se vytvoří povrchová vzdálenost potřebná k tomu, aby vydržela síťové napětí.

Olejem plněné transformátory proudu jsou standardem pro instalace 110 kV, 220 kV a 500 kV v rozvodnách. Pravidelné odběry vzorků oleje a analýza rozpuštěných plynů umožňují týmům údržby odhalit počínající degradaci izolace dříve, než dojde k poruchám.

Plynem izolované transformátory proudu

V instalacích plynem izolovaných rozváděčů (GIS) jsou proudové transformátory integrovány do krytu GIS a jako izolační médium používají plyn fluorid sírový (SF6). Tyto transformátory proudu těží ze stejného kompaktního půdorysu jako okolní rozváděče a nevyžadují žádnou údržbu kapalin, i když je nutné monitorovat tlak a čistotu uzavřeného plynového systému.

Suchý typ a vzduchem izolované provedení

Pro vnitřní instalace v kontrolovaném prostředí při napětích do přibližně 36 kV nabízejí proudové transformátory suchého typu využívající pevné izolační materiály (sklolaminát vázaný pryskyřicí, litá pryskyřice nebo Nomex) alternativu k konstrukcím plněným olejem. Jsou lehčí, eliminují riziko úniku oleje a zjednodušují údržbu, i když jsou citlivější na kondenzaci a znečištění, pokud se používají v drsném venkovním prostředí.

Klasifikace proudových transformátorů podle konstrukčního typu

Následující tabulka shrnuje hlavní konstrukční typy, jejich typické proudové rozsahy, možnosti přesnosti a primární aplikační sektory:

Jak vnitřní konstrukce ovlivňuje přesnost a výkon

Výběr správného proudového transformátoru není jen otázkou přizpůsobení poměru proudu. Vnitřní konstrukce určuje, jak se CT chová v celém svém provozním rozsahu, při kolísání zátěže, při zvýšených teplotách a za přítomnosti harmonických.

Poměrová chyba a její původ

Chyba poměru vzniká, protože magnetizační proud – proud potřebný k vytvoření toku v jádře – se neobjeví na sekundárním výstupu. Veškerý magnetizační proud je odebírán z primární části, ale žádný z nich nedosahuje zátěže. Čím větší je magnetizační proud vzhledem k primárnímu proudu, tím větší je chyba poměru. Niklo-železná a nanokrystalická jádra se svou velmi vysokou permeabilitou vyžadují mnohem menší magnetizační proud než jádra z křemíkové oceli, a proto dosahují nižších chyb v poměru při stejném průřezu jádra.

Chyba fázového posunu

Fázový posun je úhlový rozdíl, měřený v úhlových minutách, mezi primárním fázorem proudu a sekundárním fázorem proudu (převrácený pro směr). Fázový posun je zvláště důležitý při měření účiníku a energie, protože i malá úhlová chyba vnáší do výpočtů ve watthodinách chybu závislou na kosinu. Fázový posun 10 minut při zátěži s účiníkem 0,5 může způsobit chybu měření energie přibližně 0,5 %.

Zátěž a její vliv na přesnost

Sekundární zátěž – celková impedance připojených přístrojů, odpor kabeláže a reléové cívky – přímo ovlivňuje výkon třídy přesnosti. Většina specifikací třídy přesnosti (IEC 61869, IEEE C57.13) definuje výkon při jmenovité zátěži a 25 % jmenovité zátěže. CT specifikovaný jako třída 0,5 při zátěži 5 VA bude fungovat v rámci chyby poměru 0,5 % pouze tehdy, když připojená zátěž nepřekročí 5 VA. Překročení jmenovité zátěže zvyšuje sekundární svorkové napětí, žene jádro směrem k saturaci a snižuje přesnost.

Harmonický výkon

V instalacích měničů s proměnnou rychlostí, obloukových pecích a energetických systémech datových center obsahuje primární proud významný obsah harmonických – často na 5., 7., 11. a 13. harmonické. Standardní jádra z křemíkové oceli vykazují rostoucí ztráty a zkreslení fázového úhlu na harmonických frekvencích. Nanokrystalická a amorfní jádra s plochou křivkou permeability dosahující až několika kilohertzů poskytují podstatně lepší přesnost na zkreslených křivkách a jsou preferovanou volbou pro analyzátory kvality napájení třídy A.

Vnější pouzdro a montážní konfigurace

Pouzdro proudového transformátoru chrání aktivní součásti před vystavením okolnímu prostředí a poskytuje mechanické rozhraní pro instalaci. Konstrukce krytu se mezi kategoriemi použití výrazně liší.

Tvarované pouzdro pro montáž na panel

Nízkonapěťové transformátory proudu pro měřicí panely jsou téměř univerzálně vyráběny v pouzdrech z polyesteru vyztuženého skelnými vlákny (GRP) nebo polykarbonátu vytvořeného vstřikováním kolem sestavy jádra z lité pryskyřice. Pouzdro obsahuje montážní očka nebo příchytky na lištu DIN, sekundární svorkovnice dimenzované na očekávaný výstupní proud a označení polarity (P1/P2 pro primární, S1/S2 pro sekundární) podle norem IEC.

Proudové transformátory typu průchodky

Pouzdra CT jsou sestavy ve tvaru prstence určené k nasunutí přes porcelánové nebo polymerové pouzdro výkonového transformátoru nebo jističe. Nemají žádné vlastní bydlení; místo toho jsou upnuty mezi přírubu průchodky a kryt nádrže transformátoru. Průchodkové CT jsou jedny z nejkompaktnějších konstrukcí, protože samotné průchodky poskytují primární vodič a napěťovou izolaci.

Venkovní porcelánové a polymerové izolované vzory

Venkovní transformátory proudu středního a vysokého napětí jsou umístěny v utěsněných sestavách buď s porcelánovými nebo silikonovými kompozitními izolátory. Profil přístřešku je navržen tak, aby udržoval přiměřenou povrchovou vzdálenost v podmínkách znečištění – norma IEC vyžaduje minimální povrchovou cestu 16 mm/kV pro mírně znečištěná prostředí a až 31 mm/kV pro silně znečištěná místa. Kompozitní pouzdra ze silikonového kaučuku v nových instalacích do značné míry nahradila porcelán díky nižší hmotnosti, vynikajícímu znečištění v kontaminovaných prostředích a odolnosti vůči křehkému lomu.

Integrace proudových transformátorů do měřicích systémů

Kompletní systém měření proudu zahrnuje CT, propojovací kabeláž a přijímací přístroj. The transformátor proudu s děleným jádrem je z tohoto důvodu často preferovanou volbou v projektech retrofitu měření – lze jej nainstalovat bez přerušení provozu. Po instalaci se sekundární transformátor CT připojuje k měřičům energie, analyzátorům výkonu nebo ochranným relé prostřednictvím vyhrazených obvodů CT, které musí být během provozu neustále uzavřeny, aby se předešlo nebezpečným stavům sekundárního přepětí.

Normy přesnosti a označení tříd

Třídy přesnosti proudových transformátorů jsou definovány mezinárodními a regionálními normami. Dva nejvíce zmiňované jsou IEC 61869-2 (dříve IEC 60044-1) a IEEE C57.13. Pochopení označení tříd pomáhá při specifikaci správného CT pro aplikaci.

Třídy měření IEC

IEC 61869-2 definuje třídy přesnosti měření jako 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 a 3. Přípona „S“ (speciální) označuje rozšířenou přesnost při nízkém proudu – konkrétně CT musí splňovat specifikaci poměrové chyby až do 1 % jmenovitého proudu namísto standardních 5 %. Třídy 0,5S a 0,2S jsou vyžadovány pro elektroměry na úrovni výnosů podle mnoha regulačních rámců, protože zátěže často pracují hluboko pod 100 % jmenovitého primárního proudu CT.

Třídy ochrany IEC

CT třídy ochrany jsou určeny jejich limitním faktorem přesnosti (ALF) a chováním v kolenním bodu. Třída 5P a 10P jsou standardní označení, kde číslo udává maximální složenou chybu při jmenovitém mezním faktoru přesnosti. 5P20 CT udržuje složenou chybu nepřesahující 5 %, když je primární proud 20násobkem jmenovitého proudu – stav potřebný pro spolehlivou činnost nadproudových relé během poruchových stavů.

Třídy IEEE

Norma IEEE C57.13 používá kombinaci písmen a číslic: písmeno (C, K, T nebo X) označuje výkonnostní základ a číslo označuje napětí sekundární svorky při jmenovité zátěži a 20násobku jmenovitého proudu. C200 CT může dodávat svůj jmenovitý sekundární proud do zátěže, která vyvíjí 200 V při 20násobku jmenovitého primárního proudu, aniž by překročila 10% chybu poměru. Tento klasifikační systém převládá v severoamerické praxi užitkových a průmyslových ochran.

Často kladené otázky