Uvod
Strujni transformator (CT) je električni instrumentni transformator dizajniran za sigurno i precizno mjerenje izmjenične struje. Djeluje korištenjem principa elektromagnetske indukcije za transformaciju visoke primarne struje u manju sekundarnu struju koju mogu koristiti mjerači, oprema za nadzor i zaštitni releji.
Strujni transformatori naširoko se koriste u sustavima distribucije električne energije, rasklopnim uređajima, industrijskoj opremi, mjerenju energije i električnoj zaštiti. Razumijevanje principa rada CT-a važno je za odabir, instaliranje i pravilno korištenje transformatora.
Osnovni princip rada
Osnovni princip rada strujnog transformatora temelji se na elektromagnetskoj indukciji.
Kada izmjenična struja teče kroz primarni krug CT-a, ona proizvodi promjenjivo magnetsko polje. Ovo magnetsko polje stvara magnetski tok u CT jezgri. Promjenjivi magnetski tok zatim inducira elektromotornu silu i struju u sekundarnom namotu.
Veličina sekundarne struje povezana je s primarnom strujom i omjerom transformatora.
U pojednostavljenom idealnom CT-u odnos se može izraziti kao:
Ip / Is ≈ Ns / Np
gdje:
* Ip je primarna struja.
* Is je sekundarna struja.
* Np je broj primarnih zavoja.
* Ns je broj sekundarnih zavoja.
U mnogim praktičnim CT-ovima, primarni se sastoji od vodiča koji prolazi kroz jezgru, dok sekundarni namot ima mnogo zavoja. To omogućuje da velika primarna struja bude predstavljena mnogo manjom sekundarnom strujom.
Primarne i sekundarne strane
Strujni transformator ima dvije glavne električne strane: primarnu stranu i sekundarnu stranu.
Primarna strana je spojena ili oblikovana od vodiča kroz koji teče struja koju je potrebno izmjeriti.
Sekundarna strana se spaja na mjerne instrumente, mjerila energije, nadzorne uređaje ili zaštitne releje.
Na primjer, 400/5A CT je dizajniran tako da približno 400A primarne struje odgovara približno 5A sekundarne struje pod nazivnim uvjetima.
Mjerni uređaj stoga može mjeriti sekundarnu struju od 5 A i koristiti CT omjer za određivanje odgovarajuće primarne struje.
Magnetska jezgra
Magnetska jezgra ključni je dio principa rada CT-a.
Jezgra pruža put niske-reluktancije za magnetski tok koji stvara primarna struja. Sekundarni namot je postavljen oko jezgre tako da promjene u magnetskom toku mogu inducirati struju u sekundarnom namotu.
Materijal i dizajn jezgre utječu na važne karakteristike CT-a, uključujući točnost, struju pobude i ponašanje zasićenja.
Za primjene mjerenja, jezgra je općenito dizajnirana da omogući točnu transformaciju struje u navedenom rasponu mjerenja.
Za zaštitne primjene, CT treba karakteristike koje mu omogućuju pružanje odgovarajućeg strujnog signala u uvjetima kvara.
Trenutna transformacija
Za razliku od konvencionalnog naponskog transformatora, CT je posebno dizajniran za transformaciju struje.
Primarna struja stvara magnetski tok, a ovaj tok proizvodi sekundarnu struju koja je približno proporcionalna primarnoj struji u normalnim radnim uvjetima.
Na primjer, razmotrite 1000/5A CT.
Kada je primarna struja 1000 A, sekundarna struja je približno 5 A pri nazivnim uvjetima.
Ako je primarna struja 500 A, sekundarna struja je približno 2,5 A.
Mjerna oprema tada može koristiti poznati CT omjer za izračunavanje stvarne primarne struje.
Važno je razumjeti da CT ne smanjuje stvarnu struju koja teče kroz primarni krug. Stvara niži strujni signal na sekundarnoj strani za mjerenje i zaštitu.
Zašto teče sekundarna struja?
Sekundarna struja teče jer se magnetski tok u CT jezgri mijenja kako se mijenja primarna izmjenična struja.
Prema elektromagnetskoj indukciji, promjenjivo magnetsko polje inducira električni napon u vodiču.
Kada je sekundarni krug CT spojen na odgovarajuće opterećenje, inducirani napon pokreće sekundarnu struju kroz taj krug.
Sekundarna struja stvara vlastiti magnetski učinak koji se suprotstavlja promjenama toka jezgre. Ova interakcija omogućuje transformatoru održavanje odnosa između primarne i sekundarne struje.
CT omjer i broj zavoja
Omjer između primarnih i sekundarnih zavoja određuje odnos transformacije struje.
U mnogim dizajnima CT-a, primarni može imati samo jedan efektivni zavoj, dok sekundar ima mnogo zavoja.
Na primjer, ako CT ima jedan efektivni primarni zavoj i 100 sekundarnih zavoja, trenutni transformacijski odnos može biti približno 100:1.
To omogućuje primarnoj struji od 500 A da proizvede sekundarnu struju od približno 5 A pod nazivnim uvjetima.
Točan odnos ovisi o dizajnu CT-a i njegovim radnim uvjetima.
Elektromagnetska ravnoteža
Koristan način za razumijevanje rada CT-a je magnetska vaga.
Primarna struja proizvodi magnetomotornu silu u jezgri. Sekundarna struja proizvodi suprotnu magnetomotornu silu.
U normalnim radnim uvjetima, CT radi tako da ti magnetski učinci održavaju odgovarajuću ravnotežu dok prenose energiju kroz magnetsko polje.
Pojednostavljeni odnos je:
Np × Ip ≈ Ns × Is
Ovaj odnos objašnjava zašto CT s mnogo sekundarnih zavoja može proizvesti mnogo manju sekundarnu struju.
Stvarna izvedba CT-a uključuje struju magnetiziranja i druge ne{0}}idealne učinke, tako da praktični odnos nije savršeno idealan.
Struja pobude
Nije sva primarna struja savršeno prenesena u sekundarni krug.
Za magnetiziranje CT jezgre potreban je mali dio struje. To se obično naziva struja pobude ili struja magnetiziranja.
Uzbudna struja doprinosi razlici između idealnog i stvarnog omjera transformacije CT-a.
U normalnim radnim uvjetima, pravilno odabrani CT održava ove učinke unutar svojih specificiranih zahtjeva točnosti.
Karakteristike pobude jezgre posebno su važne pri procjeni CT točnosti i zasićenja.
CT zasićenje
Do zasićenja dolazi kada magnetski tok u CT jezgri postane previsok da bi jezgra mogla održati svoj normalni magnetski odnos.
To se može dogoditi tijekom-stanja kvara visoke struje ili kada je opterećenje sekundarnog kruga preveliko za CT.
Kada dođe do zasićenja, sekundarna struja možda više neće točno reproducirati primarnu struju.
Rezultirajuće izobličenje valnog oblika može utjecati na mjernu opremu i zaštitne releje.
Zaštitni CT-ovi se stoga odabiru prema očekivanim uvjetima-struje kvara i potrebnim zaštitnim performansama.
Teret i princip rada
Sekundarni krug CT-a ima opterećenje koje se sastoji od povezane mjerne ili zaštitne opreme i ožičenja između CT-a i tih uređaja.
CT mora razviti dovoljan sekundarni napon za provođenje potrebne sekundarne struje kroz ovaj teret.
Ako je opterećenje previsoko, CT može zahtijevati viši sekundarni napon. To može povećati magnetski tok u jezgri i potencijalno pomaknuti CT bliže zasićenju.
Stoga je opterećenje važan čimbenik u praktičnom radu CT-a.
Primjene mjerenja i zaštite
Princip rada CT-a isti je osnovni elektromagnetski princip iu mjernim i zaštitnim aplikacijama, ali karakteristike CT-a mogu biti različite.
CT za mjerenje dizajniran je za pružanje točnih informacija o struji za brojila i mjerenje energije.
Zaštitni CT je dizajniran za pružanje odgovarajućih strujnih signala zaštitnim relejima, posebno tijekom nenormalnih stanja i stanja kvara.
Odgovarajući CT stoga treba odabrati prema namjeravanoj primjeni.
Sigurnosna razmatranja
Strujni transformatori zahtijevaju posebnu pozornost tijekom rada i održavanja.
Kada teče primarna struja, sekundar CT-a ne bi trebao biti otvoren-u strujnom krugu osim ako oprema i postupci nisu posebno dizajnirani za to stanje.
Otvoreni CT sekundar može proizvesti opasan napon jer transformator nastavlja biti napajan primarnom strujom.
Prije odspajanja sekundarnog ožičenja potrebno je slijediti odgovarajuće postupke koje je odredio proizvođač, uključujući odobrene aranžmane kratkog spoja gdje je primjenjivo.
Instalacija CT-a, uzemljenje, ispitivanje i održavanje također trebaju slijediti važeće zahtjeve električne sigurnosti.
Zaključak
Princip rada strujnog transformatora temelji se na elektromagnetskoj indukciji. Primarna struja proizvodi magnetski tok u jezgri CT-a, a promjenjivi tok inducira sekundarnu struju koja je približno proporcionalna primarnoj struji prema omjeru CT-a.
Magnetska jezgra, raspored namota, pobudna struja, opterećenje i karakteristike zasićenja utječu na stvarnu izvedbu transformatora.
CT fizički ne smanjuje struju koja teče kroz primarni krug. Umjesto toga, proizvodi manji sekundarni strujni signal koji se može sigurno i prikladno koristiti mjernom i zaštitnom opremom.
Razumijevanjem elektromagnetske indukcije, CT omjera, magnetske ravnoteže, opterećenja i zasićenja, korisnici mogu bolje odabrati i primijeniti strujne transformatore u električnim mjerenjima, distribuciji energije i zaštitnim sustavima.