Proudové transformátory – účel a princip činnosti

V dnešním materiálu jsem se rozhodl začít zvažovat otázky související se základy teorie proudových transformátorů. Tato zařízení jsou sama o sobě rozšířena v elektroinstalacích a myslím, že každému bude zajímavé a užitečné aktualizovat si paměť na principu jejich fungování.

Účel proudových transformátorů: převod proudu a oddělení obvodů

Začněme odpovědí na otázku – k čemu je proudový transformátor? Existuje několik hlavních problémů, které řeší instalace proudových transformátorů.

• Jednak se jedná o měření velkých proudů, kdy přímé měření skutečné hodnoty primárního proudu není možné. Hodnota převedená směrem dolů po změření proudového transformátoru. To je obvykle 1, 5 nebo 10 ampérů.
• Za druhé se jedná o oddělení primárního a sekundárního okruhu. Tím je chráněna izolace reléových zařízení, elektroměrů a měřicích přístrojů.

Z čeho se TT skládá, princip jeho fungování

Proudový transformátor má uzavřené jádro (magnetické jádro), které je sestaveno z plechů z elektrooceli. Na jádře jsou dvě vinutí: primární a sekundární.

Primární vinutí je zapojeno do série (do řezu) obvodu, kterým protéká měřený (primární) proud. Na sekundární vinutí jsou připojena sériově zapojená relé a zařízení, která tvoří sekundární zátěž proudového transformátoru. Tento popis složení proudového transformátoru postačuje pro popis principu jeho činnosti podrobnější popis vlastního složení proudového transformátoru je uveden v jiném článku.

Chcete-li zvážit princip fungování proudového transformátoru, zvažte schéma umístěné na obrázku.

Proud I protéká primárním vinutím₁, vytvářející magnetický tok F₁. Proměnný magnetický tok F₁ kříží obě vinutí W₁ a w₂. Při křížení sekundárního vinutí je tok F₁ indukuje elektromotorickou sílu E₂, který vytváří sekundární proud I₂. Aktuální I₂, má podle Lenzova zákona směr opačný než směr I₁. Sekundární proud vytváří magnetický tok F₂, který je nasměrován proti F₁. V důsledku přidání magnetických toků F₁ a F₂ vzniká výsledný magnetický tok (na obrázku je označen F_nás). Tento průtok je několik procent průtoku F₁. Je to proud F_nás a je to článek, který provádí přenos a transformaci proudu. Říká se tomu magnetizační tok.

Transformační koeficient ideálního CT

V primárním vinutí w₁ vzniká magnetomotorická síla F₁=w₁*I₁, a v sekundárním – F₂=w₂*I₂. Pokud předpokládáme, že v proudovém transformátoru nejsou žádné ztráty, pak jsou magnetomotorické síly stejné velikosti, ale opačného znaménka. F₁=-F₂. V důsledku toho zjistíme, že I₁/I₂=w₂/w₁=n. Tento poměr se nazývá poměr proudového transformátoru.

Transformační koeficient reálného CT

Ve skutečném proudovém transformátoru dochází ke ztrátám energie. Tyto ztráty jdou na:

• vytvoření magnetického toku v magnetickém obvodu
• ohřev a magnetizace obrácení magnetického obvodu
• ohřev vodičů sekundárního vinutí a obvodu

Magnetomotorické síly z předchozího odstavce se přičtou k magnetizační síle Fus = Ius * w1. Ve výrazu níže jsou proudy a mfs vektory. F₁=F₂+F_nás nebo já₁*w₁=I₂*w₂+I_nás*w₁ nebo já₁=I₂*(w₂/w₁)+I_nás

V normálním režimu, kdy primární proud nepřesahuje jmenovitý proud proudového transformátoru, nepřesahuje hodnota proudu Ius 1-3 procenta primárního proudu a tuto hodnotu lze při výběru proudového transformátoru zanedbat. Za abnormálních podmínek dochází k tzv. magnetizačnímu proudovému rázu, podrobněji se o tom dočtete zde. Ze vzorce vyplývá, že primární proud je rozdělen na dva obvody – magnetizační obvod a obvod zátěže. Zjistěte více o ekvivalentním obvodu CT a vektorovém diagramu CT.

Provozní režimy proudových transformátorů

TT mají dva hlavní provozní režimy – ustálený a přechodný.

V ustáleném stavu proudy v primárním a sekundárním vinutí neobsahují volné aperiodické a periodické složky. V přechodovém režimu procházejí primárním a sekundárním vinutím volné složky tlumeného proudu.

Pokud je zařízení vybráno správně, pak v obou provozních režimech by chyba proudového transformátoru neměla překročit přípustnou hodnotu v těchto režimech a proudy ve vinutí by neměly překročit přípustný tepelný a dynamický odpor.

CT pro měření jsou navrženy pro provoz v ustáleném stavu za předpokladu, že nejsou překročeny dovolené chyby. Provoz CT pro ochranu začíná od okamžiku, kdy dojde k přetížení nebo zkratovému proudu, v těchto režimech musí být splněny požadavky určitých typů ochran;

Jaký je rozdíl mezi transformátorem proudu a transformátorem napětí?

Existují rozdíly ve fungování CT a VT.

• Primární proud CT nezávisí na sekundární zátěži, která je typická pro VT. To je dáno tím, že odpor sekundárního vinutí CT je řádově menší než odpor primárního obvodu a obecně platí, že čím blíže je k nule, tím vyšší je přesnost CT. U napěťových transformátorů a výkonových transformátorů závisí primární proud na velikosti sekundárního zatěžovacího proudu.
• CT vždy pracuje s uzavřeným sekundárním vinutím a hodnota jeho sekundárního zatěžovacího odporu se během provozu nemění.
• Není dovoleno provozovat CT s otevřeným sekundárním vinutím u VT a výkonových transformátorů, při otevření sekundárního vinutí dochází k přechodu do chodu naprázdno.

Pokud teorie způsobuje potíže s porozuměním, přečtěte si popis činnosti proudového transformátoru UTT-5.

Proudové transformátory (CT) Je obvyklé nazývat elektrická zařízení určená k transformaci proudových hodnot (z velkých na malé) na požadované hodnoty za účelem připojení měřicích zařízení a reléových ochranných a automatizačních zařízení. Proudové transformátory jsou široce používány v energetice a jsou nedílnou součástí každé elektrárny nebo rozvodny.

Instalace nízkopříkonových transformátorů do silových elektroinstalací rovněž umožňuje zajistit bezpečnost práce, protože jejich použití odděluje vysokonapěťové/nízkonapěťové obvody a zjednodušuje konstrukci drahých měřicích přístrojů a relé.

Konstrukce a princip činnosti proudového transformátoru

Proudové transformátory se konstrukčně skládají z:

• uzavřený magnetický obvod;
• 2 vinutí (primární, sekundární).

Orlov Anatolij Vladimirovič
Vedoucí oddělení ochrany a automatizace relé Novgorod Electric Networks

Primární vinutí je zapojeno do série, takže jím protéká proud plné zátěže. A sekundární je uzavřena vůči zátěži (ochranná relé, měřící měřiče atd.), což umožňuje, aby jím procházel proud, jehož velikost je úměrná velikosti proudu v primárním vinutí.

Vzhledem k tomu, že odpor měřicích zařízení je nevýznamný, je obecně přijímáno, že všechny proudové transformátory pracují v režimu blízkém zkratu.

To znamená, že geometrický součet magnetických toků je roven rozdílu mezi toky generovanými oběma vinutími.

Tradičně se proudové transformátory vyrábějí s několika skupinami sekundárních vinutí, z nichž jedna je určena pro připojení ochranných zařízení, jiná – pro zapínání řídicích, diagnostických a měřicích zařízení.

K těmto vinutím musí být připojena zátěž.

Jeho odpor je přísně regulován, protože i nepatrná odchylka od standardní hodnoty může vést ke zvýšení chyby a v důsledku toho ke snížení kvality měření a neselektivnímu provozu ochrany relé.

Zajímavé video o proudových transformátorech lze vidět níže:

Chyba CT je určena v závislosti na:

• průřezy magnetických obvodů;
• permeabilita materiálu použitého k výrobě magnetického obvodu;
• hodnoty magnetické dráhy.

Výrazné zvýšení zatěžovacího odporu v sekundárním okruhu generuje zvýšené napětí v sekundárním okruhu, což vede k porušení izolace a v důsledku toho k poruše transformátoru.

Maximální hodnota zatěžovací odolnosti je uvedena v referenčních materiálech.

Klasifikace proudových transformátorů

Proudové transformátory jsou obvykle klasifikovány podle následujících vlastností:

1. В зависимости z destinace Dělí se na:
   1. ochranný;
   2. měření;
   3. mezilehlý, slouží k připojení měřicích přístrojů k proudovým obvodům, vyrovnávající proudy v diferenciálních soustavách. ochrana atd.);
   4. laboratoř.
   1. venkovní instalace (umístěná ve venkovním rozvaděči);
   2. vnitřní instalace (umístěná v rozvaděči);
   3. zabudované do elektrických strojů, spínací zařízení: generátory, transformátory, přístroje atd.;
   4. režie – instalované na horní části průchozích izolátorů;
   5. přenosné (pro laboratorní testování a diagnostická měření).
   1. víceotáčkový (cívka, s vinutím ve tvaru smyčky nebo osmičky);
   2. jednootáčkový;
   3. pneumatika
   1. se suchou izolací (z porcelánu, lité epoxidové izolace, bakelitu atd.);
   2. s izolací papír-olej nebo kondenzátor papír-olej;
   3. mající složenou náplň.
   1. jednostupňové;
   2. dvoustupňové (kaskádové).
   1. CT se jmenovitým napětím nad 1 kV;
   2. TT s napětím do 1 kV.

   

   Další zajímavé video o schématech zapojení proudových transformátorů:

   Proudové transformátory od různých výrobců

   Podívejme se na několik proudových transformátorů od různých výrobců:

   <img src=“https://pue8.ru/wp-content/uploads/2016/05/ntz-10-01.jpg“ />Proudové transformátory TOL-NTZ-10-01

   Výrobce OOO Nevsky Transformer Plant Volkhov, jsou určeny pro přenos signálu měřicí informace do měřicích přístrojů a ochranných a regulačních zařízení, pro izolování sekundárních připojovacích obvodů od vysokého napětí v kompletních vnitřních a venkovních instalačních zařízeních (KRU, KRUN, KSO) střídavého proudu pro napěťovou třídu do 10 kV a jsou komponentními výrobky.

   Transformátory jsou vyráběny ve formě nosné konstrukce, v klimatických verzích „UHL“ a „T“, kategorie uložení „2“ dle GOST 15150-69.

   Pracovní poloha transformátoru v prostoru je libovolná.

   Transformátory pracují v elektrických instalacích vystavených bleskovým přepětím a mají:

   • třída tepelné odolnosti „B“ podle GOST 8865-93;
   • izolační úroveň „a“ a „b“ podle GOST 1516.3-96.

   Možnosti provedení transformátoru: „B“ – vybavený izolačními bariérami.

   Umístění sekundárních kolíků:

   • „A“ – rovnoběžné s instalační plochou;
   • „B“ – kolmo k instalační ploše;
   • „C“ – vyrobeno z ohebného drátu, rovnoběžně s instalační plochou;
   • „D“ – vyrobeno z ohebného drátu, kolmo k instalační ploše.

   

   Požadavky na spolehlivost

   Pro transformátory byly stanoveny následující indikátory spolehlivosti:

   • střední doba do poruchy – 2´105 h;
   • plná životnost – 30 let.

   Příklad konvenčního označení proudového transformátoru s litou pryskyřicí

   ТОЛ-НТЗ-10-01АБ-0,5SFs5/10Р10–5/15-300/5 31,5 кА УХЛ2

   • 10 – jmenovité napětí;
   • „0“ – varianta provedení;
   • „1“ – provedení podle délky těla;
   • „A“ – sekundární svorky umístěné rovnoběžně s montážní plochou;
   • „B“ – izolační bariéry;
   • 0,5S – třída přesnosti měřicího sekundárního vinutí;
   • (Fs)5 – bezpečnostní faktor zařízení sekundárního vinutí pro měření;
   • 10P – třída přesnosti ochranného sekundárního vinutí;
   • 10 – jmenovitá mezní násobnost sekundárního vinutí pro ochranu;
   • 5 – jmenovité sekundární zatížení vinutí pro měření;
   • 15 – jmenovité sekundární zatížení vinutí pro ochranu;
   • 300 – jmenovitý primární proud;
   • 5 – jmenovitý sekundární proud;
   • 31,5 – jednosekundový tepelný výdržný proud;
   • „UHL“ – klimatický výkon;
   • 2 – kategorie umístění GOST 15150-69 při jeho objednávce a v dokumentaci jiného výrobku.

   <img src=“https://pue8.ru/wp-content/uploads/2016/05/top-066.jpg“ />Proudové podpůrné transformátory TOP-0,66

   Transformátory jsou určeny pro přenos měřicích informačních signálů do měřicích přístrojů ve střídavých instalacích s frekvencí 50 nebo 60 Hz a jmenovitým napětím do 0,66 kV včetně. Zkušební jednominutové napětí průmyslové frekvence je 3 kV.

   Transformátory třídy přesnosti 0,2; 0,5; 0,2S a 0,5S se používají v měřicích schématech pro zúčtování se spotřebiteli, třída přesnosti 1,0 – v měřicích schématech.

   Skříň transformátoru je vyrobena ze samozhášecích materiálů zpomalujících hoření. Transformátory se vyrábí ve verzi „U“ nebo „T“, kategorie 3 podle GOST 15150 a jsou určeny pro provoz za následujících podmínek:

   • nadmořská výška ne více než 1000 m;
   • okolní teplota: během provozu – od minus 45 °C do plus 50 °C, během přepravy a skladování – od minus 50 °C do plus 50 °C;
   • prostředí je nevýbušné, neobsahuje prach, chemicky aktivní plyny a páry v koncentracích, které ničí kovové povlaky a izolace;
   • pracovní pozice – libovolná.

   

   

   Primární přípojnice transformátorů TOP-0,66 a TShP-0,66 je vyrobena z pocínované mědi. Transformátory TShP-0,66 mohou být vybaveny měděnými sběrnicemi potaženými cínem.

   Průchozí přípojnicové transformátory proudu pro vnitřní instalaci BB, BBO

   Výrobce – ABB LLC

   Průchozí přípojnicové transformátory proudu BB a BBO jsou vyrobeny v pouzdře z epoxidové směsi a jsou určeny pro instalaci do rozvaděčů s napětím do 24 kV (25 kV).

   Jako průchodku lze použít proudový transformátor bez primárního vodiče, ale s vlastní primární izolací.

   Transformátory jsou navrženy a vyrobeny podle následujících norem:

   • IEC, VDE, ANSI, BS, GOST a ČSN.
   • Maximální napětí – 3.6 kV – 25 kV
   • Primární proud – 600 A – 5000 A
   • Suchý transformátor s epoxidovou izolací pro vnitřní instalaci
   • Navrženo pro měření a ochranu, může mít až tři sekundární vinutí
   • Provedení s možností přepínání transformačního poměru na straně primárního nebo sekundárního vinutí.