Unutarnja konstrukcija i vrste strujnih transformatora

Jezgra: srce svakog strujnog transformatora

Magnetska jezgra je komponenta unutar strujnog transformatora koja najviše određuje performanse. Služi kao medij kroz koji se energija iz primarnog vodiča elektromagnetskom indukcijom prenosi na sekundarni namot. Oblik, materijal i površina poprečnog presjeka jezgre određuju gotovo sve karakteristike izvedbe gotovog uređaja.

Geometrija jezgre

Većina jezgri strujnih transformatora proizvodi se u toroidalnom (prstenastom) obliku. Ova geometrija zatvorene petlje osigurava da je putanja magnetskog toka kontinuirana, što minimizira curenje toka i doprinosi visokoj točnosti. Toroidalne jezgre standardne su u instrumentima prihodne i zaštitne klase jer daju vrlo niske pogreške faznog kuta pri nazivnoj struji.

Za strujne transformatore namotanog tipa koji se koriste u primjenama s visokim omjerom ili posebnim primjenama, jezgre mogu biti laminirane u pravokutnim konfiguracijama ili konfiguracijama u obliku slova C sastavljene od zrnatih traka od elektrotehničkog čelika. Ove laminirane jezgre omogućuju proizvođaču da precizno prilagodi površinu poprečnog presjeka za ciljno opterećenje i klasu točnosti.

Materijali magnetskih jezgri

Izbor materijala magnetske jezgre izravno kontrolira klasu točnosti transformatora, ponašanje zasićenja i frekvencijski odziv. Tablica u nastavku sažima najčešće opcije:

Za standardno mjerenje frekvencije snage na 50 Hz ili 60 Hz, CRGO silikonski čelik ostaje dominantan izbor zbog svoje povoljne ravnoteže između cijene, dostupnosti i magnetske izvedbe. Legure nikal-željezo rezervirane su za precizne CT-ove za mjerenje prihoda gdje se pogreške moraju držati unutar 0,1% ili 0,2% u širokom rasponu opterećenja.

Laminacija jezgre i izolacija

Kako bi se smanjili gubici vrtložnih struja, silicij-čelične jezgre su laminirane u tanke trake, obično debljine 0,23 mm do 0,35 mm. Svaka je laminacija obložena tankim izolacijskim slojem - obično fosfatnim ili organskim lakom - koji sprječava protok struje između slojeva. Čvršća laminacija i tanje trake smanjuju gubitke i nakupljanje topline tijekom dugotrajnih uvjeta preopterećenja.

Sekundarni namot: Pretvaranje toka u mjerljivi signal

Sekundarni namot namotan je izravno na jezgru i odgovoran je za proizvodnju izlazne struje koju mjere instrumenti, releji i mjerači. Fizička konstrukcija ovog namota utječe i na točnost i na toplinsku izvedbu.

Materijal žice za namotavanje i vodiča

Gotovo svi sekundarni namoti su namotani od emajlirane bakrene žice. Kombinacija visoke električne vodljivosti, duktilnosti i dobro poznatih temperaturnih karakteristika bakra čini ga standardnim izborom. U specijaliziranim laganim izvedbama povremeno se koristi aluminijska žica, iako zahtijeva veće poprečne presjeke kako bi se postigla ista ciljana otpornost i zahtijeva pažljivo završetak kako bi se spriječila korozija.

Promjer žice odabire se tako da zadovolji specifikaciju otpora sekundarnog namota (često se naziva Rct — otpor sekundarnog namota). Niži Rct omogućuje da se veći dio raspoloživog sekundarnog EMF-a isporuči vanjskom teretu umjesto da se rasprši unutar sebe kao toplina. To izravno utječe na točnost pri niskim razinama opterećenja.

Tehnika navijanja i brojanje okreta

Broj zavoja sekundarnog namota određuje omjer transformacije u kombinaciji s zavojima primara. Za standardni strujni transformator šipkastog ili prozorskog tipa gdje je primarni jedan prolazni vodič, broj zavoja primara je 1. Zavoji sekundara se tada postavljaju da postignu željeni omjer — na primjer, 200 zavoja za omjer 200:1 u transformatoru od 200 A / 1 A.

Namoti su ravnomjerno raspoređeni oko toroida kako bi se osigurala uravnotežena magnetomotorna sila i minimizirao tok curenja. Uniformnost je posebno kritična u dizajnu visoke točnosti gdje čak i male asimetrije u distribuciji namota mogu dovesti do mjerljivih grešaka faznog kuta.

Izolacija između slojeva

Višeslojni namoti zahtijevaju međuslojnu izolaciju kako bi se spriječio proboj napona između zavoja na različitim potencijalima. Uobičajeni međuslojni izolacijski materijali uključuju:

• Poliesterska filmska traka (tip Mylar) — koristi se u niskonaponskim CT-ovima zbog ravnoteže dielektrične čvrstoće i tankog profila
• Poliimidni film (tip Kapton) — odabire se kada radne temperature prelaze 130°C ili kada je potrebna vrlo tanka izolacija bez žrtvovanja otpornosti na napon
• Nomex papir — koristi se u suhim okruženjima s visokom temperaturom gdje bi se materijali na bazi celuloze razgradili

Raspored primarnih vodiča u konstrukciji strujnog transformatora

Primarna strana strujnog transformatora može se rasporediti na nekoliko jasno različitih načina, od kojih svaki rezultira različitim tipom mehaničke konstrukcije. Ovo je primarna osnova za klasifikaciju CT-a prema fizičkom dizajnu.

Konstrukcija strujnog transformatora šipkastog tipa

Šipkasti strujni transformator koristi fiksni, tvornički instaliran primarni vodič - obično bakrenu ili aluminijsku šipku - koji prolazi kroz središte toroidalnog ili pravokutnog sklopa jezgre i namota. Jezgra i sekundarni namot su omotani oko ove šipke. Ova konstrukcija nudi maksimalnu mehaničku krutost i poželjna je za instalacije sklopnih uređaja i sabirnica gdje se primarne vrijednosti struje kreću od 400 A do nekoliko tisuća ampera.

Budući da je šipka tvornički postavljena, CT-ovi tipa šipke nisu podesivi u polju. Nazivna primarna struja određena je u proizvodnji. Oni su, međutim, iznimno stabilni tijekom desetljeća rada jer nema mehaničkih spojeva u primarnom putu koji bi se mogli olabaviti ili korodirati.

Prozorska konstrukcija strujnog transformatora

Prozorski CT-ovi, koji se ponekad nazivaju prstenasti ili prstenasti strujni transformatori, sastoje se od toroidalne jezgre omotane sa sekundarnom zavojnicom i zatvorene u kućište koje ima središnji otvor. Primarni vodič - koji god kabel ili sabirnica prenosi izmjerenu struju - jednostavno se provlači kroz ovaj otvor prilikom instalacije. Ne postoji električna veza između tijela transformatora i primarnog vodiča; transformator radi isključivo indukcijski.

Ovaj dizajn je svestran jer se jedan CT model može instalirati na vodiče različitih poprečnih presjeka, sve dok vodič fizički stane kroz prozor. Prozorski CT-ovi se intenzivno koriste u pločama, nadzoru kabela i naknadnoj opremi postojećih instalacija.

Konstrukcija namotanog strujnog transformatora

U namotanom strujnom transformatoru, primarni namot sastoji se od jednog ili više zavoja izoliranog bakrenog vodiča koji je namotan izravno na jezgru uz sekundar. Ovaj raspored se koristi kada je primarna struja relativno niska - obično ispod 100 A - i jednoprolazni vodič ne bi proizveo dovoljan fluks za točno mjerenje.

Dodavanjem dva, tri ili više primarnih zavoja, efektivni omjer transformacije se višestruko povećava bez potrebe za fizički većom jezgrom. Namotani CT s 5 primarnih zavoja i 1000 sekundarnih zavoja ima efektivni omjer od 1000:5 ili 200:1, s primarnom strujom s 5 zavoja koja pokreće veći fluks za istu struju u liniji nego što bi imao primar s jednom šipkom.

Namotani CT-ovi obično su skuplji od tipova šipki ili prozora pri istoj nazivnoj struji, jer dodatni proces namotavanja dodaje rad, a izolacija primarnog vodiča mora biti ocijenjena za puni međulinijski napon sustava.

Strujni transformator s podijeljenom jezgrom: konstrukcija i primjena

The strujni transformator s podijeljenom jezgrom rješava konkretan praktični problem: kako postaviti strujni transformator na vodič koji se ne može bez napona ili odspojiti. Magnetska jezgra podijeljena je na dvije polovice duž precizno obrađenog spoja. Šarke ili mehanizam zasuna drže polovice zatvorenima tijekom rada i omogućavaju njihovo odvajanje za ugradnju.

Kada su polovice jezgre otvorene, CT se može postaviti oko kabela pod naponom. Nakon zatvaranja i zaključavanja, magnetski krug je dovršen i uređaj funkcionira identično čvrstom toroidalnom CT-u ekvivalentnih dimenzija.

Ključni inženjerski izazov u dizajnu s podijeljenom jezgrom je smanjenje zračnog raspora na spoju. Čak i mikroskopski razmak u magnetskom krugu dramatično povećava potrebnu struju magnetiziranja i unosi pogreške, osobito na niskim razinama primarne struje blizu 5% do 20% nazivne vrijednosti. Proizvođači to rješavaju putem:

• Precizna strojna obrada spojnih površina do tolerancija ispod 10 mikrometara
• Korištenje materijala jezgre visoke propusnosti koji su tolerantniji na male zaostale praznine
• Zasuni s oprugom koji primjenjuju dosljednu silu stezanja kako bi polovice bile čvrsto povezane
• Nanokristalni ili amorfni materijali jezgre, koji održavaju nižu pogrešku čak i uz malo nesavršeno zatvaranje

CT-ovi s podijeljenom jezgrom naširoko se koriste u energetskoj reviziji, sustavima upravljanja energijom u zgradama, naknadno ugrađenim pločama za nadzor napajanja i bilo kojoj primjeni gdje se instalacija mora izvršiti bez isključivanja nadziranog kruga. Dostupni su u klasama točnosti od klase 1 do klase 0,5, ovisno o materijalu jezgre i kvaliteti spoja.

Toroidalni strujni transformator: Zašto dominira oblik prstena

Toroidalni strujni transformator daleko je najčešća konstrukcija koja se koristi u modernom mjerenju struje na ploči i u liniji. Njegova značajka koja definira je jezgra u obliku krafne, koja stvara zatvorenu magnetsku stazu bez namjernog zračnog raspora (u verzijama s punom jezgrom) i bez izloženih strana polova.

Magnetska učinkovitost toroidalne jezgre

Budući da magnetski tok u potpunosti cirkulira unutar materijala jezgre u toroidalnom dizajnu, u biti nikakav tok ne izlazi u okolni zrak. To ima dvije praktične posljedice. Prvo, struja magnetiziranja potrebna za uspostavljanje radnog toka je vrlo niska, što izravno smanjuje pogrešku omjera i fazni pomak. Drugo, toroidalni CT mnogo je manje osjetljiv na položaj primarnog vodiča unutar prozora - svojstvo koje se naziva otpornost na položajne pogreške - u usporedbi s dizajnom s pravokutnom jezgrom.

U dobro dizajniranom toroidalnom CT-u, pomicanje primarnog vodiča iz središta prozora u položaj izvan središta dovodi do manje od 0,05% dodatne pogreške omjera. U CT-u s pravokutnom jezgrom, isti pomak može uzrokovati pogreške veće od 0,3%.

Proizvodnja toroidnih jezgri

Toroidalne jezgre za strujne transformatore proizvode se jednom od tri metode ovisno o ciljnom materijalu:

1. Jezgre omotane trakom — Kontinuirana traka od silikonskog čelika, legure nikla i željeza ili nanokristalne vrpce namotana je u spiralu oko trna i potom toplinski obrađena kako bi se smanjio mehanički stres nastao tijekom namotavanja. Ova metoda se koristi za najviše ocjene točnosti.
2. Složene jezgre za laminiranje — Pojedinačne bušene laminacije se naslažu i isprepliću kako bi se formirao prsten, koji se obično koristi za jezgre većeg promjera gdje bi namotavanje trake izazvalo prekomjerno unutarnje naprezanje.
3. Praškaste ili sinterirane feritne jezgre — Koristi se za visokofrekventne aplikacije; ferit se preša u toroidalni kalup i sinterira na visokoj temperaturi.

Izolacijski sustavi u strujnim transformatorima

CT izolacija mora obavljati dvije funkcije istovremeno: izolirati visokonaponski primarni vodič od niskonaponskog sekundarnog kruga i zaštititi sklop namota i jezgre od degradacije okoliša. Odabrani izolacijski sustav ovisi o nazivnom naponu, ambijentalnom okruženju i mehaničkim zahtjevima primjene.

Inkapsulacija smolom (epoksi ili poliuretanski kalup)

Većina niskonaponskih i srednjenaponskih strujnih transformatora koji se koriste u mjernim pločama i rasklopnim uređajima proizvedeni su lijevanjem ili vakuumskim ubrizgavanjem epoksidne smole oko sklopa namotane jezgre. Ovim postupkom, koji se često naziva konstrukcija lijevanog kućišta, stvara se čvrsto izolacijska tijela bez šupljina koje:

• Pruža dielektričnu čvrstoću veću od 3 kV/mm za standardne epoksidne sustave
• Eliminira prodor vlage bez dodatnog brtvljenja
• Mehanički štiti jezgru i namot od vibracija i udara
• Omogućuje preciznu kontrolu dimenzija vanjskog tijela za montažu na panel

Vakuumsko tlačna impregnacija (VPI) koristi se za veće sklopove gdje je lijevanje nepraktično. Namotaj je uronjen u smolu pod vakuumom kako bi se uklonio zarobljeni zrak, zatim je pod pritiskom da se smola ugura u svaku prazninu prije stvrdnjavanja.

Izolacija punjena uljem

Strujni transformatori visokog napona iznad 36 kV obično koriste mineralno ulje kao primarni izolacijski i rashladni medij. Namotana jezgra i sekundarni sklop smješteni su unutar zatvorenog metalnog spremnika napunjenog mineralnim uljem transformatora. Izolacija od celuloznog papira omotana je oko primarnog vodiča u više slojeva, stvarajući puznu stazu potrebnu da izdrži linijski napon.

CT-ovi punjeni uljem su standard za instalacije od 110 kV, 220 kV i 500 kV u trafostanicama za prijenos. Redovito uzorkovanje ulja i analiza otopljenog plina omogućuju timovima za održavanje da otkriju početnu degradaciju izolacije prije nego dođe do kvara.

Strujni transformatori izolirani plinom

U instalacijama s plinom izoliranim rasklopnim uređajima (GIS), strujni transformatori integrirani su u GIS kućište i koriste plin sumporov heksafluorid (SF6) kao izolacijski medij. Ovi CT-ovi imaju isti kompaktni otisak kao i okolni rasklopni uređaj i ne zahtijevaju održavanje tekućine, iako se zatvoreni plinski sustav mora nadzirati na tlak i čistoću.

Suhi tip i izvedbe sa zračnom izolacijom

Za unutarnje instalacije u kontroliranim okruženjima na naponima do približno 36 kV, suhi tip CT-a koji koriste čvrste izolacijske materijale (stakloplastike vezane smolom, lijevanu smolu ili Nomex) nude alternativu dizajnu punjenom uljem. Lakši su, eliminiraju rizik od izlijevanja ulja i pojednostavljuju održavanje, iako su osjetljiviji na kondenzaciju i onečišćenje ako se koriste u teškim vanjskim okruženjima.

Klasifikacija strujnih transformatora prema vrsti konstrukcije

Sljedeća tablica objedinjuje glavne vrste konstrukcija, njihove tipične raspone struje, mogućnosti točnosti i primarne sektore primjene:

Kako unutarnja konstrukcija utječe na točnost i izvedbu

Odabir pravog strujnog transformatora nije samo stvar usklađivanja omjera struje. Unutarnja konstrukcija određuje kako se CT ponaša u svom radnom rasponu, pod varijacijom opterećenja, na povišenim temperaturama i u prisutnosti harmonika.

Pogreška omjera i njezino podrijetlo

Pogreška omjera nastaje jer se struja magnetiziranja — struja potrebna za uspostavljanje toka u jezgri — ne pojavljuje u sekundarnom izlazu. Sva struja magnetiziranja izvlači se iz primara, ali ništa od toga ne doseže teret. Što je veća struja magnetiziranja u odnosu na primarnu struju, veća je pogreška omjera. Nikal-željezne i nanokristalne jezgre, sa svojom vrlo visokom permeabilnošću, zahtijevaju daleko manje struje magnetiziranja od silicij-čeličnih jezgri i stoga postižu manje pogreške omjera pri istom presjeku jezgre.

Pogreška faznog pomaka

Fazni pomak je kutna razlika, mjerena u minutama luka, između fazora primarne struje i fazora sekundarne struje (obrnuto za smjer). Fazni pomak je osobito važan u faktoru snage i mjerenju energije jer čak i mala kutna pogreška uvodi pogrešku ovisnu o kosinusu u izračunima vat-sata. Fazni pomak od 10 minuta na opterećenju pri faktoru snage 0,5 može proizvesti pogrešku mjerenja energije od približno 0,5%.

Teret i njegov učinak na točnost

Sekundarno opterećenje — ukupna impedancija povezanih instrumenata, otpor ožičenja i zavojnice releja — izravno utječe na performanse klase točnosti. Većina specifikacija klase točnosti (IEC 61869, IEEE C57.13) definira performanse pri nazivnom opterećenju i pri 25% nazivnog opterećenja. CT naveden kao klasa 0,5 pri opterećenju od 5 VA radit će unutar pogreške omjera od 0,5% samo kada priključeno opterećenje ne prelazi 5 VA. Prekoračenje nazivnog opterećenja povećava napon sekundarnog terminala, tjera jezgru prema zasićenju i smanjuje točnost.

Harmonijska izvedba

U instalacijama pogona s promjenjivom brzinom, elektrolučnim pećima i sustavima napajanja podatkovnih centara, primarna struja sadrži značajan harmonijski sadržaj — često na 5., 7., 11. i 13. harmoniku. Standardne silicij-čelične jezgre pokazuju sve veće gubitke i izobličenje faznog kuta na harmoničkim frekvencijama. Nanokristalne i amorfne jezgre, sa svojom ravnom krivuljom propusnosti koja se proteže do nekoliko kiloherca, pružaju bitno bolju točnost na iskrivljenim valnim oblicima i preferirani su izbor za analizatore kvalitete električne energije klase A.

Konfiguracije vanjskog kućišta i montaže

Kućište strujnog transformatora štiti aktivne komponente od izloženosti okoliša i osigurava mehaničko sučelje za instalaciju. Dizajn kućišta značajno se razlikuje između kategorija primjene.

Kućište za montažu na panel

Niskonaponski CT-ovi za mjerne ploče gotovo se univerzalno proizvode u poliesterskim (GRP) ojačanim staklenim vlaknima (GRP) ili polikarbonatnim kućištima formiranim injekcijskim prešanjem oko sklopa jezgre od lijevane smole. Kućište uključuje ušice za montažu ili stezaljke za DIN tračnicu, sekundarne stezaljke ocijenjene za očekivanu izlaznu struju i oznake polariteta (P1/P2 za primar, S1/S2 za sekundar) prema IEC standardima.

Strujni transformatori čahure

CT-ovi čahura su sklopovi u obliku prstena dizajnirani da klize preko porculanske ili polimerne čahure energetskog transformatora ili prekidača. Nemaju vlastitog stambenog prostora; umjesto toga, oni su stegnuti između prirubnice čahure i poklopca spremnika transformatora. CT-ovi s izolacijskim provodnicima su neki od najkompaktnijih dizajna, budući da sam izolacijski vodič osigurava primarni vodič i naponsku izolaciju.

Vanjski porculan i dizajni izolirani polimerom

Srednjenaponski i visokonaponski vanjski strujni transformatori smješteni su u zatvorenim sklopovima s izolatorima od porculana ili silikonske gume. Profil šupe dizajniran je za održavanje odgovarajuće puzne staze u uvjetima onečišćenja — IEC standard zahtijeva minimalnu puznu stazu od 16 mm/kV za slabo onečišćena okruženja i do 31 mm/kV za jako onečišćena mjesta. Kompozitna kućišta od silikonske gume uvelike su zamijenila porculan u novim instalacijama zbog manje težine, superiorne učinkovitosti onečišćenja u kontaminiranim okruženjima i otpornosti na krti lom.

Integracija strujnih transformatora u mjerne sustave

Kompletan sustav mjerenja struje uključuje CT, međusobno povezivanje ožičenja i prijemni instrument. The strujni transformator s podijeljenom jezgrom je često poželjan izbor u projektima naknadnog mjerenja iz tog razloga — može se instalirati bez prekida usluge. Jednom instaliran, CT sekundar povezuje se s mjeračima energije, analizatorima snage ili zaštitnim relejima putem namjenskih CT krugova, koji moraju biti zatvoreni cijelo vrijeme tijekom rada kako bi se izbjegla opasna stanja sekundarnog prenapona.

Standardi točnosti i oznake klasa

Klase točnosti strujnih transformatora definirane su međunarodnim i regionalnim standardima. Dva najčešće spominjana su IEC 61869-2 (bivši IEC 60044-1) i IEEE C57.13. Razumijevanje oznaka klase pomaže u određivanju pravog CT-a za aplikaciju.

IEC mjerne klase

IEC 61869-2 definira klase točnosti mjerenja kao 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 i 3. Sufiks "S" (poseban) označava proširenu točnost pri niskoj struji — konkretno, CT mora zadovoljiti specifikaciju pogreške omjera do 1% nazivne struje umjesto standardnih 5%. Klase 0.5S i 0.2S potrebne su za mjerače potrošnje energije prema mnogim regulatornim okvirima, jer opterećenja često rade znatno ispod 100% nazivne primarne struje CT-a.

IEC zaštitne klase

CT-ovi zaštitne klase označeni su svojim graničnim faktorom točnosti (ALF) i ponašanjem točke koljena. Klase 5P i 10P su standardne oznake, gdje broj označava maksimalnu složenu pogrešku pri nazivnom graničnom faktoru točnosti. 5P20 CT održava kompozitnu pogrešku koja ne prelazi 5% kada je primarna struja 20 puta veća od nazivne struje — uvjet potreban za pouzdan rad prekostrujnih releja tijekom stanja kvara.

IEEE klase

Standard IEEE C57.13 koristi kombinaciju slova i broja: slovo (C, K, T ili X) označava osnovu performansi, a broj označava napon sekundarnog terminala pri nazivnom opterećenju i 20 puta većoj nazivnoj struji. C200 CT može isporučiti svoju nazivnu sekundarnu struju u opterećenje koje razvija 200 V pri 20 puta većoj nazivnoj primarnoj struji bez prekoračenja pogreške omjera od 10%. Ovaj sustav klasifikacije prevladava u sjevernoameričkoj komunalnoj praksi i praksi industrijske zaštite.

Često postavljana pitanja