Úvod
Prúdový transformátor (CT) je elektrický prístrojový transformátor určený na bezpečné a presné meranie striedavého prúdu. Funguje na princípe elektromagnetickej indukcie na transformáciu vysokého primárneho prúdu na menší sekundárny prúd, ktorý môžu používať merače, monitorovacie zariadenia a ochranné relé.
Prúdové transformátory sú široko používané v systémoch distribúcie energie, rozvádzačoch, priemyselných zariadeniach, meraní energie a elektrickej ochrany. Pochopenie princípu fungovania CT je dôležité pre správny výber, inštaláciu a používanie transformátora.
Základný pracovný princíp
Základný princíp činnosti prúdového transformátora je založený na elektromagnetickej indukcii.
Keď cez primárny okruh CT preteká striedavý prúd, vytvára meniace sa magnetické pole. Toto magnetické pole vytvára magnetický tok v jadre CT. Meniaci sa magnetický tok potom indukuje elektromotorickú silu a prúd v sekundárnom vinutí.
Veľkosť sekundárneho prúdu súvisí s primárnym prúdom a prevodom transformátora.
V zjednodušenom ideálnom CT možno vzťah vyjadriť ako:
Ip / Is ≈ Ns / Np
kde:
* Ip je primárny prúd.
* Is je sekundárny prúd.
* Np je počet primárnych závitov.
* Ns je počet sekundárnych závitov.
V mnohých praktických CT sa primárne skladá z vodiča prechádzajúceho jadrom, zatiaľ čo sekundárne vinutie má veľa závitov. To umožňuje, aby bol veľký primárny prúd reprezentovaný oveľa menším sekundárnym prúdom.
Primárne a sekundárne strany
Prúdový transformátor má dve hlavné elektrické strany: primárnu stranu a sekundárnu stranu.
Primárna strana je pripojená alebo tvorená vodičom prenášajúcim prúd, ktorý je potrebné merať.
Na sekundárnu stranu sa pripájajú meracie prístroje, elektromery, monitorovacie zariadenia, prípadne ochranné relé.
Napríklad 400/5A CT je konštruovaný tak, že približne 400A primárny prúd zodpovedá približne 5A sekundárnemu prúdu za menovitých podmienok.
Merací prístroj teda dokáže merať sekundárny prúd 5A a pomocou pomeru CT určiť zodpovedajúci primárny prúd.
Magnetické jadro
Magnetické jadro je kľúčovou súčasťou princípu fungovania CT.
Jadro poskytuje dráhu nízkej{0}}reluktancie pre magnetický tok generovaný primárnym prúdom. Sekundárne vinutie je umiestnené okolo jadra, takže zmeny magnetického toku môžu indukovať prúd v sekundárnom vinutí.
Materiál a konštrukcia jadra ovplyvňujú dôležité charakteristiky CT vrátane presnosti, budiaceho prúdu a saturačného správania.
Pre meracie aplikácie je jadro vo všeobecnosti navrhnuté tak, aby poskytovalo presnú transformáciu prúdu v špecifikovanom rozsahu merania.
Pre ochranné aplikácie potrebuje CT charakteristiky, ktoré mu umožňujú poskytovať vhodný prúdový signál v poruchových podmienkach.
Súčasná transformácia
Na rozdiel od bežného transformátora napätia je CT špeciálne navrhnutý na transformáciu prúdu.
Primárny prúd generuje magnetický tok a tento tok vytvára sekundárny prúd, ktorý je za normálnych prevádzkových podmienok približne úmerný primárnemu prúdu.
Zvážte napríklad CT 1000/5A.
Keď je primárny prúd 1000A, sekundárny prúd je pri menovitých podmienkach približne 5A.
Ak je primárny prúd 500A, sekundárny prúd je približne 2,5A.
Meracie zariadenie potom môže použiť známy pomer CT na výpočet skutočného primárneho prúdu.
Je dôležité pochopiť, že CT neznižuje skutočný prúd pretekajúci primárnym okruhom. Vytvára nižší prúdový signál na sekundárnej strane pre meranie a ochranu.
Prečo tečie sekundárny prúd?
Sekundárny prúd tečie, pretože magnetický tok v jadre CT sa mení so zmenou primárneho striedavého prúdu.
Meniace sa magnetické pole podľa elektromagnetickej indukcie indukuje vo vodiči elektrické napätie.
Keď je sekundárny obvod CT pripojený k vhodnej záťaži, indukované napätie poháňa sekundárny prúd cez tento obvod.
Sekundárny prúd vytvára svoj vlastný magnetický efekt, ktorý pôsobí proti zmenám v toku jadra. Táto interakcia umožňuje transformátoru udržiavať vzťah medzi primárnymi a sekundárnymi prúdmi.
Pomer CT a počet otáčok
Pomer medzi primárnymi a sekundárnymi závitmi určuje aktuálny transformačný vzťah.
V mnohých konštrukciách CT môže mať primárny len jeden účinný závit, zatiaľ čo sekundárny má veľa závitov.
Napríklad, ak má CT jeden efektívny primárny závit a 100 sekundárnych závitov, súčasný transformačný vzťah môže byť približne 100:1.
To umožňuje, aby primárny prúd 500 A produkoval sekundárny prúd približne 5 A za menovitých podmienok.
Presný vzťah závisí od konštrukcie CT a jeho prevádzkových podmienok.
Elektromagnetická rovnováha
Užitočný spôsob, ako pochopiť operáciu CT, je magnetická rovnováha.
Primárny prúd vytvára magnetomotorickú silu v jadre. Sekundárny prúd vytvára opačnú magnetomotorickú silu.
Za normálnych prevádzkových podmienok CT funguje tak, že tieto magnetické efekty udržiavajú primeranú rovnováhu pri prenose energie cez magnetické pole.
Zjednodušený vzťah je:
Np × Ip ≈ Ns × Is
Tento vzťah vysvetľuje, prečo CT s mnohými sekundárnymi závitmi môže produkovať oveľa menší sekundárny prúd.
Skutočný výkon CT zahŕňa magnetizujúci prúd a iné-neideálne efekty, takže praktický vzťah nie je úplne ideálny.
Budiaci prúd
Nie všetok primárny prúd je dokonale prenášaný do sekundárneho okruhu.
Na magnetizáciu jadra CT je potrebná malá časť prúdu. Toto sa bežne označuje ako excitačný alebo magnetizačný prúd.
Budiaci prúd prispieva k rozdielu medzi ideálnym a skutočným transformačným pomerom CT.
Za normálnych prevádzkových podmienok správne zvolený CT udržiava tieto účinky v rámci svojich špecifikovaných požiadaviek na presnosť.
Charakteristiky excitácie jadra sú obzvlášť dôležité pri hodnotení presnosti a saturácie CT.
CT saturácia
K nasýteniu dochádza, keď je magnetický tok v jadre CT príliš vysoký na to, aby si jadro udržalo svoj normálny magnetický vzťah.
Môže k tomu dôjsť pri poruche-vysokého prúdu alebo keď je záťaž sekundárneho okruhu pre CT príliš vysoká.
Keď dôjde k saturácii, sekundárny prúd už nemusí presne reprodukovať primárny prúd.
Výsledné skreslenie tvaru vlny môže ovplyvniť meracie zariadenie a ochranné relé.
Ochranné CT sa preto vyberajú podľa očakávaných poruchových-aktuálnych podmienok a požadovaného výkonu ochrany.
Záťaž a pracovný princíp
Sekundárny obvod CT je zaťažený pripojeným meracím alebo ochranným zariadením a vedením medzi CT a týmito zariadeniami.
CT musí vyvinúť dostatočné sekundárne napätie na poháňanie požadovaného sekundárneho prúdu cez túto záťaž.
Ak je záťaž príliš vysoká, CT môže vyžadovať vyššie sekundárne napätie. To môže zvýšiť magnetický tok v jadre a potenciálne posunúť CT bližšie k saturácii.
Preto je záťaž dôležitým faktorom pri praktickej prevádzke CT.
Aplikácie merania a ochrany
Princíp činnosti CT je rovnaký základný elektromagnetický princíp v aplikáciách merania aj ochrany, ale charakteristiky CT sa môžu líšiť.
Merací CT je navrhnutý tak, aby poskytoval presné aktuálne informácie pre merače a meranie energie.
Ochranný CT je navrhnutý tak, aby poskytoval vhodné prúdové signály pre ochranné relé, najmä počas abnormálnych a poruchových podmienok.
Vhodné CT by sa preto malo vybrať podľa zamýšľanej aplikácie.
Bezpečnostné úvahy
Prúdové transformátory vyžadujú osobitnú pozornosť počas prevádzky a údržby.
Keď tečie primárny prúd, sekundárny CT by nemal zostať otvorený-v okruhu, pokiaľ nie sú zariadenia a postupy špeciálne navrhnuté pre tento stav.
Otvorený sekundárny prúd CT môže produkovať nebezpečné napätie, pretože transformátor je naďalej napájaný primárnym prúdom.
Pred odpojením sekundárneho vedenia by sa mali dodržať príslušné postupy špecifikované výrobcom, vrátane schválených skratovacích opatrení, ak je to vhodné.
Inštalácia, uzemnenie, testovanie a údržba CT by mali tiež spĺňať príslušné požiadavky na elektrickú bezpečnosť.
Záver
Princíp činnosti prúdového transformátora je založený na elektromagnetickej indukcii. Primárny prúd vytvára magnetický tok v jadre CT a meniaci sa tok indukuje sekundárny prúd, ktorý je približne úmerný primárnemu prúdu podľa pomeru CT.
Magnetické jadro, usporiadanie vinutia, budiaci prúd, zaťaženie a saturačné charakteristiky ovplyvňujú skutočný výkon transformátora.
CT fyzicky neznižuje prúd pretekajúci primárnym okruhom. Namiesto toho vytvára menší sekundárny prúdový signál, ktorý možno bezpečne a pohodlne použiť meracím a ochranným zariadením.
Pochopením elektromagnetickej indukcie, pomeru CT, magnetickej rovnováhy, záťaže a saturácie môžu používatelia lepšie vybrať a použiť prúdové transformátory v elektrickom meraní, rozvode energie a ochranných systémoch.