Uvod
Tokovni transformator (CT) je električni instrumentalni transformator, zasnovan za varno in natančno merjenje izmeničnega toka. Deluje z uporabo principa elektromagnetne indukcije za pretvorbo visokega primarnega toka v manjši sekundarni tok, ki ga lahko uporabljajo števci, oprema za spremljanje in zaščitni releji.
Tokovni transformatorji se pogosto uporabljajo v sistemih za distribucijo električne energije, stikalnih napravah, industrijski opremi, merjenju energije in električni zaščiti. Razumevanje principa delovanja CT je pomembno za pravilno izbiro, namestitev in uporabo transformatorja.
Osnovno načelo delovanja
Osnovni princip delovanja tokovnega transformatorja temelji na elektromagnetni indukciji.
Ko izmenični tok teče skozi primarno vezje CT, proizvaja spreminjajoče se magnetno polje. To magnetno polje ustvarja magnetni tok v jedru CT. Spreminjajoči se magnetni tok nato inducira elektromotorno silo in tok v sekundarnem navitju.
Velikost sekundarnega toka je povezana s primarnim tokom in razmerjem transformatorja.
V poenostavljenem idealnem CT je razmerje mogoče izraziti kot:
Ip / Is ≈ Ns / Np
kjer:
* Ip je primarni tok.
* Is je sekundarni tok.
* Np je število primarnih obratov.
* Ns je število sekundarnih obratov.
V mnogih praktičnih CT je primarni sestavljen iz prevodnika, ki poteka skozi jedro, medtem ko ima sekundarno navitje veliko ovojev. To omogoča, da je velik primarni tok predstavljen z veliko manjšim sekundarnim tokom.
Primarne in sekundarne strani
Tokovni transformator ima dve glavni električni strani: primarno stran in sekundarno stran.
Primarna stran je povezana ali oblikovana z vodnikom, po katerem teče tok, ki ga je treba izmeriti.
Sekundarna stran je priključena na merilne instrumente, števce energije, nadzorne naprave ali zaščitne releje.
Na primer, CT 400/5A je zasnovan tako, da približno 400 A primarnega toka ustreza približno 5 A sekundarnemu toku pri nazivnih pogojih.
Merilna naprava lahko torej izmeri sekundarni tok 5A in uporabi razmerje CT za določitev ustreznega primarnega toka.
Magnetno jedro
Magnetno jedro je ključni del načela delovanja CT-ja.
Jedro zagotavlja nizko-odporno pot za magnetni tok, ki ga ustvari primarni tok. Sekundarno navitje je nameščeno okoli jedra, tako da lahko spremembe v magnetnem toku inducirajo tok v sekundarnem navitju.
Material in oblika jedra vplivata na pomembne značilnosti CT, vključno z natančnostjo, vzbujalnim tokom in obnašanjem nasičenosti.
Za merilne aplikacije je jedro na splošno zasnovano tako, da zagotavlja natančno transformacijo toka v določenem merilnem območju.
Za zaščitne aplikacije potrebuje CT značilnosti, ki mu omogočajo zagotavljanje ustreznega tokovnega signala v pogojih napake.
Trenutna preobrazba
Za razliko od običajnega napetostnega transformatorja je CT posebej zasnovan za transformacijo toka.
Primarni tok ustvarja magnetni tok, ta tok pa sekundarni tok, ki je približno sorazmeren primarnemu toku v normalnih pogojih delovanja.
Na primer, razmislite o 1000/5A CT.
Ko je primarni tok 1000 A, je sekundarni tok približno 5 A pri nazivnih pogojih.
Če je primarni tok 500 A, je sekundarni tok približno 2,5 A.
Merilna oprema lahko nato uporabi znano razmerje CT za izračun dejanskega primarnega toka.
Pomembno je razumeti, da CT ne zmanjša dejanskega toka, ki teče skozi primarni krog. Ustvari nižji tokovni signal na sekundarni strani za merjenje in zaščito.
Zakaj teče sekundarni tok?
Sekundarni tok teče, ker se magnetni tok v jedru CT spreminja kot primarni izmenični tok.
Glede na elektromagnetno indukcijo spreminjajoče se magnetno polje inducira električno napetost v prevodniku.
Ko je sekundarni krog CT priključen na ustrezno obremenitev, inducirana napetost poganja sekundarni tok skozi to vezje.
Sekundarni tok ustvari lasten magnetni učinek, ki nasprotuje spremembam toka jedra. Ta interakcija omogoča transformatorju, da ohrani razmerje med primarnim in sekundarnim tokom.
CT razmerje in število obratov
Razmerje med primarnimi in sekundarnimi zavoji določa trenutno transformacijsko razmerje.
V mnogih izvedbah CT ima lahko primarni samo en učinkovit zavoj, medtem ko ima sekundarni veliko zavojev.
Na primer, če ima CT en efektivni primarni zavoj in 100 sekundarnih zavojev, je lahko trenutno transformacijsko razmerje približno 100:1.
To omogoča, da primarni tok 500 A proizvede sekundarni tok približno 5 A pri nazivnih pogojih.
Točno razmerje je odvisno od zasnove CT in njegovih delovnih pogojev.
Elektromagnetno ravnotežje
Koristen način za razumevanje delovanja CT je magnetna tehtnica.
Primarni tok proizvaja magnetomotorno silo v jedru. Sekundarni tok proizvaja nasprotno magnetomotorno silo.
V normalnih pogojih delovanja CT deluje tako, da ti magnetni učinki vzdržujejo ustrezno ravnovesje med prenosom energije skozi magnetno polje.
Poenostavljeno razmerje je:
Np × Ip ≈ Ns × Is
To razmerje pojasnjuje, zakaj lahko CT s številnimi sekundarnimi obrati proizvede veliko manjši sekundarni tok.
Dejanska zmogljivost CT vključuje magnetizirajoči tok in druge ne{0}}idealne učinke, zato praktično razmerje ni popolnoma idealno.
Vzbujevalni tok
Ves primarni tok ni popolnoma prenesen v sekundarni krog.
Za magnetizacijo jedra CT je potreben majhen del toka. To se običajno imenuje vzbujevalni ali magnetizacijski tok.
Vzbujevalni tok prispeva k razliki med idealnim in dejanskim transformacijskim razmerjem CT.
Pri normalnih delovnih pogojih pravilno izbrani CT ohranja te učinke znotraj svojih predpisanih zahtev glede natančnosti.
Značilnosti vzbujanja jedra so še posebej pomembne pri ocenjevanju natančnosti in nasičenosti CT.
CT saturacija
Do nasičenja pride, ko postane magnetni tok v jedru CT previsok, da bi jedro lahko ohranilo svoje normalno magnetno razmerje.
To se lahko zgodi v pogojih visoke-tokovne napake ali ko je obremenitev sekundarnega tokokroga previsoka za CT.
Ko pride do nasičenja, sekundarni tok morda ne bo več natančno reproduciral primarnega toka.
Posledično popačenje valovne oblike lahko vpliva na merilno opremo in zaščitne releje.
Zaščitni CT-ji so zato izbrani glede na pričakovane-tokovne pogoje okvar in zahtevano zmogljivost zaščite.
Obremenitev in princip delovanja
Sekundarni tokokrog CT ima breme, ki ga sestavljajo priključena merilna ali zaščitna oprema in ožičenje med CT in temi napravami.
CT mora razviti zadostno sekundarno napetost za pogon potrebnega sekundarnega toka skozi to breme.
Če je obremenitev previsoka, lahko CT zahteva višjo sekundarno napetost. To lahko poveča magnetni pretok v jedru in potencialno premakne CT bližje nasičenosti.
Zato je obremenitev pomemben dejavnik pri praktičnem delovanju CT.
Merilne in zaščitne aplikacije
Načelo delovanja CT je isto osnovno elektromagnetno načelo tako pri merilnih kot zaščitnih aplikacijah, vendar so lahko značilnosti CT drugačne.
Merilni CT je zasnovan za zagotavljanje natančnih trenutnih informacij za števce in merjenje energije.
Zaščitni CT je zasnovan tako, da zagotavlja ustrezne tokovne signale zaščitnim relejem, zlasti med neobičajnimi in okvarjenimi stanji.
Ustrezen CT je zato treba izbrati glede na predvideno uporabo.
Varnostni vidiki
Tokovni transformatorji zahtevajo posebno pozornost med delovanjem in vzdrževanjem.
Ko teče primarni tok, sekundarnega tokokroga CT ne smete pustiti odprtega-vezja, razen če so oprema in postopki zasnovani posebej za to stanje.
Odprt sekundar CT lahko povzroči nevarno napetost, ker transformator še naprej napaja primarni tok.
Preden odklopite sekundarno ožičenje, je treba upoštevati ustrezne postopke, ki jih je določil proizvajalec, vključno z odobrenimi ureditvami kratkega stika, kjer je primerno.
Namestitev CT, ozemljitev, testiranje in vzdrževanje morajo prav tako upoštevati veljavne zahteve električne varnosti.
Zaključek
Načelo delovanja tokovnega transformatorja temelji na elektromagnetni indukciji. Primarni tok proizvaja magnetni tok v jedru CT, spreminjajoči se tok pa inducira sekundarni tok, ki je glede na razmerje CT približno sorazmeren s primarnim tokom.
Magnetno jedro, razporeditev navitij, vzbujevalni tok, obremenitev in značilnosti nasičenja vplivajo na dejansko delovanje transformatorja.
CT fizično ne zmanjša toka, ki teče skozi primarni krog. Namesto tega proizvaja manjši sekundarni tokovni signal, ki ga lahko varno in priročno uporablja merilna in zaščitna oprema.
Z razumevanjem elektromagnetne indukcije, razmerja CT, magnetnega ravnotežja, obremenitve in nasičenosti lahko uporabniki bolje izberejo in uporabijo tokovne transformatorje v električnih sistemih za merjenje, distribucijo električne energije in zaščito.