Jak funguje proudový transformátor?

Při provozu energetických systémů často vzniká potřeba převádět určité elektrické veličiny na podobná analoga s proporcionálně změněnými hodnotami. To umožňuje simulovat určité procesy v elektrických instalacích a bezpečně provádět měření.

Provoz proudového transformátoru (CT) je založen na zákonu elektromagnetické indukce, pracuje v elektrických a magnetických polích, které se mění ve tvaru harmonických proměnných sinusových veličin.

Převádí primární hodnotu vektoru proudu tekoucího v napájecím obvodu na sekundární sníženou hodnotu, zachovává modulovou úměrnost a přesný přenos úhlu.

Princip činnosti proudového transformátoru

Diagram znázorňuje procesy probíhající během transformace elektrické energie uvnitř transformátoru.

Výkonovým primárním vinutím protéká proud I1 s počtem závitů w1 a překonává jeho celkový odpor Z1. Kolem této cívky se vytvoří magnetický tok F1, který je zachycen magnetickým obvodem umístěným kolmo ke směru vektoru I1. Tato orientace zajišťuje minimální ztráty elektrické energie při její přeměně na energii magnetickou.

Překřížením kolmo umístěných závitů vinutí w2 do nich tok F1 indukuje elektromotorickou sílu E2, pod jejímž vlivem se v sekundárním vinutí objeví proud I2, překonávající celkový odpor cívky Z2 a připojenou výstupní zátěž Zn. V tomto případě se na svorkách sekundárního obvodu vytvoří úbytek napětí U2.

Hodnota K1, určená poměrem vektorů I1/I2, se nazývá transformační poměr. Jeho hodnota se nastavuje při návrhu zařízení a měří se v hotových konstrukcích. Rozdíly mezi ukazateli skutečných modelů a vypočtenými hodnotami jsou posuzovány metrologickou charakteristikou – třídou přesnosti proudového transformátoru.

Ve skutečné práci nejsou hodnoty proudu ve vinutí konstantní hodnoty. Proto se transformační poměr obvykle označuje nominálními hodnotami. Například jeho výraz 1000/5 znamená, že při provozním primárním proudu 1 kiloampér bude v sekundárních závitech působit zátěž 5 ampér. Na základě těchto hodnot se vypočítá dlouhodobý provoz tohoto proudového transformátoru.

Magnetický tok F2 ze sekundárního proudu I2 snižuje hodnotu toku F1 v magnetickém obvodu. V tomto případě je tok transformátoru Фт vytvořený v něm určen geometrickým součtem vektorů Ф1 a Ф2.

Výukový plakát „Měřicí transformátory“:

Nebezpečné faktory při provozu proudového transformátoru

Možnost poranění vysokonapěťovým potenciálem při porušení izolace

Vzhledem k tomu, že magnetický obvod CT je vyroben z kovu, má dobrou vodivost a vzájemně magneticky spojuje izolovaná vinutí (primární a sekundární), existuje zvýšené riziko úrazu elektrickým proudem pro personál nebo poškození zařízení v případě poškození izolační vrstvy.

Aby se takovým situacím předešlo, používá se uzemnění jedné ze sekundárních svorek transformátoru k odvedení vysokonapěťového potenciálu přes něj v případě havárií.

Tato svorka je vždy označena na těle přístroje a je vyznačena na schématech zapojení.

Možnost zranění vysokonapěťovým potenciálem při přerušení sekundárního okruhu

Svorky sekundárního vinutí jsou označeny „I1“ a „I2“, takže směr protékajících proudů je polární a shoduje se napříč všemi vinutími. Když je transformátor v provozu, musí být vždy připojen k zátěži.

To se vysvětluje tím, že proud procházející primárním vinutím má výkon (S=UI) vysokého potenciálu, který se transformuje na sekundární obvod s nízkými ztrátami a při jeho přerušení proudová složka prudce klesá. k hodnotám netěsnosti prostředím, ale zároveň pokles výrazně zvyšuje namáhání zlomeného profilu.

Potenciál na otevřených kontaktech sekundárního vinutí při průchodu proudu primárním okruhem může dosáhnout několika kilovoltů, což je velmi nebezpečné.

Proto musí být všechny sekundární obvody proudových transformátorů vždy spolehlivě sestaveny a zkratové zkraty musí být vždy instalovány na vinutí nebo jádra, která jsou vyřazena z provozu.

Konstrukční řešení používaná v obvodech proudových transformátorů

Jakýkoli proudový transformátor jako elektrické zařízení je určen k řešení určitých problémů při provozu elektrických instalací. Průmysl je vyrábí ve velkém sortimentu. V některých případech však při vylepšování návrhů může být snazší použít hotové modely s osvědčenými technologiemi, než předělávat a vyrábět nové.

Princip vytvoření jednootáčkového CT (v primárním okruhu) je základní a je znázorněn na obrázku vlevo.

Zde je primární vinutí pokryté izolací vyrobeno z přímé sběrnice L1-L2 procházející magnetickým jádrem transformátoru a sekundární vinutí je navinuto a připojeno k zátěži.

Princip vytvoření víceotáčkového CT se dvěma jádry je zobrazen vpravo. Zde se odebírají dva jednootáčkové transformátory se svými sekundárními obvody a jejich magnetickými jádry prochází určitý počet závitů výkonových vinutí. Tímto způsobem se nejen zvýší výkon, ale navíc se zvýší počet výstupních připojených obvodů.

Tyto tři principy lze různě modifikovat. Například použití několika identických vinutí kolem jednoho magnetického jádra je rozšířené pro vytvoření samostatných, nezávislých sekundárních obvodů, které fungují autonomně. Obvykle se jim říká jádra. Tímto způsobem jsou k proudovým obvodům jednoho proudového transformátoru připojeny ochrany spínačů nebo vedení (transformátorů) s různým účelem.

Zařízení silnoproudých zařízení využívají kombinované transformátory proudu s výkonným magnetickým jádrem, používané v nouzových režimech na zařízení, a konvenční, určené pro měření jmenovitých parametrů sítě. Vinutí navinutá kolem vyztuženého železa se používají k ovládání ochranných zařízení, zatímco běžná vinutí se používají k měření proudu nebo výkonu/odporu.

Takto se jim říká:

• ochranná vinutí označená indexem „P“ (relé);
• měření, označené čísly metrologické třídy přesnosti TT, např. „0,5“.

Při normálním provozu proudového transformátoru zajišťují ochranná vinutí měření vektoru primárního proudu s přesností 10 %. Kvůli této hodnotě se jim říká „deset procent“.

Princip stanovení přesnosti transformátoru umožňuje vyhodnotit jeho ekvivalentní obvod znázorněný na obrázku. V něm jsou všechny hodnoty primárních veličin podmíněně redukovány na akci v sekundárních otáčkách.

Ekvivalentní obvod popisuje všechny procesy probíhající ve vinutích, přičemž bere v úvahu energii vynaloženou na magnetizaci jádra proudem I.

Vektorový diagram vytvořený na jeho základě (trojúhelník SB0) ukazuje, že proud I2 se liší od hodnot I’1 o hodnotu I us (magnetizace).

Čím vyšší jsou tyto odchylky, tím nižší je přesnost proudového transformátoru. Aby se vzaly v úvahu chyby měření CT, byly zavedeny následující koncepty:

• relativní proudová chyba, vyjádřená v procentech;
• úhlová chyba vypočítaná délkou oblouku AB v radiánech.

Absolutní hodnota odchylky vektorů primárního a sekundárního proudu je určena střídavým segmentem.

Obecná průmyslová provedení proudových transformátorů jsou vyráběna pro provoz ve třídách přesnosti určených charakteristikou 0,2; 0,5; 1,0; 3 a 10 %.

Praktická aplikace proudových transformátorů

Různé jejich modely lze nalézt jak v malých elektronických zařízeních umístěných v malém krytu, tak v energetických zařízeních, která zabírají značné rozměry několika metrů. Jsou rozděleny podle provozních charakteristik.

Klasifikace proudových transformátorů

Podle účelu se dělí na:

• měřicí zařízení, která přenášejí proudy do měřicích přístrojů;
• ochranné, připojené k obvodům proudové ochrany;
• laboratoř s vysokou třídou přesnosti;
• mezilehlé používané pro opakovanou konverzi.

Při provozu zařízení se CT používají:

• venkovní instalace pod širým nebem;
• pro uzavřené instalace;
• zabudované do zařízení;
• nad hlavou – nasadit pouzdro;
• přenosný, což vám umožní provádět měření na různých místech.

Na základě provozního napětí CT zařízení existují:

• vysoké napětí (více než 1000 voltů);
• pro hodnoty jmenovitého napětí do 1 kilovoltu.

Proudové transformátory jsou také klasifikovány podle způsobu izolačních materiálů, počtu transformačních stupňů a dalších charakteristik.

K ovládání obvodů pro měření elektrické energie, měření a jištění vedení nebo výkonových autotransformátorů se používají dálkové měřicí transformátory proudu.

Níže uvedená fotografie ukazuje jejich umístění pro každou fázi vedení a instalaci sekundárních okruhů ve svorkovnici na venkovním rozvaděči 110 kV pro výkonový autotransformátor.

Stejné úkoly plní proudové transformátory ve venkovních rozvaděčích 330 kV, ale vzhledem ke složitosti zařízení s vyšším napětím mají podstatně větší rozměry.

Na silových zařízeních se často používají provedení vestavěných proudových transformátorů, které se umisťují přímo na těleso elektroenergetického zařízení.

Mají sekundární vinutí s vodiči umístěnými kolem vysokonapěťového vstupu v utěsněném pouzdře. Kabely ze svorek CT jsou vedeny do zde připojených svorkovnic.

Uvnitř vysokonapěťových transformátorů proudu se jako izolant nejčastěji používá speciální transformátorový olej. Příklad takového provedení je na obrázku pro proudové transformátory řady TFZM, určené pro provoz při 35 kV.

Do 10 kV včetně se pro izolaci mezi vinutími při výrobě pouzdra používají pevné dielektrické materiály.

Příkladem je proudový transformátor značky TPL-10, používaný v KRUN, uzavřených rozvaděčích a dalších typech rozvaděčů.

Příklad zapojení sekundárního proudového obvodu jednoho z ochranných žil REL 511 pro jistič vedení 110 kV znázorňuje zjednodušené schéma.

Poruchy proudového transformátoru a jak je najít

Při zapnutí proudového transformátoru pod zátěží může vlivem tepelného přehřátí, náhodných mechanických vlivů nebo nekvalitní instalace dojít k narušení elektrického odporu izolace vinutí nebo jejich vodivosti.

V provozních zařízeních dochází nejčastěji k poškození izolace, což vede k přepólovým zkratům vinutí (snížení přenášeného výkonu) nebo vzniku svodových proudů náhodně vytvořenými obvody až ke zkratu.

Aby bylo možné identifikovat oblasti nekvalitní instalace napájecího obvodu, provádějí se periodické kontroly provozního obvodu pomocí termokamer. Na jejich základě se rychle odstraní závady přerušených kontaktů a sníží se přehřívání zařízení.

Nepřítomnost zkratů je kontrolována odborníky z laboratoří ochrany relé a automatizace:

• převzetí charakteristiky proud-napětí;
• zatížení transformátoru z externího zdroje;
• měření hlavních parametrů v pracovním diagramu.

Analyzují také hodnotu transformačního koeficientu.

Ve všech pracích je posuzován vztah mezi vektory primárních a sekundárních proudů ve velikosti. Jejich úhlové odchylky se neprovádějí kvůli nedostatku vysoce přesných fázových měřicích zařízení, která se používají při kontrole proudových transformátorů v metrologických laboratořích.

Vysokonapěťové zkoušky dielektrických vlastností jsou zadány specialistům z laboratoře izolačních služeb.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: