Proudové transformátory – vše, co potřebujete vědět

Jednozávitové proudové transformátory se vyrábějí ve dvou variantách: bez vlastního primárního vinutí a s vlastním primárním vinutím. Jednozávitové proudové transformátory, které nemají vlastní primární vinutí, se vyrábějí jako vestavěné, sběrnicové nebo odnímatelné.

Vestavěný proudový transformátor (viz obr.) je magnetické jádro s navinutým sekundárním vinutím. Nemá vlastní primární vinutí. Jeho roli plní tyč průchozího izolátoru, kterou vede proud. Tento proudový transformátor nemá mezi primárním a sekundárním vinutím izolační prvky. Jejich roli plní izolace průchozího izolátoru.

Obr. 1 Schéma zapojení proudového transformátoru

vlastní primární vinutí proudového transformátoru; — proudovodná tyč průchodkového izolátoru (SHNA)

V proudovém transformátoru s přípojnicemi / plní roli primárního vinutí jedna nebo několik sběrnic rozvodného zařízení, které jsou během instalace protaženy dutinou průchodkového izolátoru. Ten izoluje takové primární vinutí od sekundárního.

Dělený proudový transformátor 2 také nemá vlastní primární vinutí. Jeho magnetický obvod se skládá ze dvou částí, stažených šrouby. Může se otevírat a zavírat kolem vodiče s proudem, kterým je primární vinutí tohoto proudového transformátoru. Izolace mezi primárním a sekundárním vinutím je nanesena na magnetický obvod se sekundárním vinutím.

Jednozávitové proudové transformátory, které mají vlastní primární vinutí, se vyrábějí s tyčovým primárním vinutím nebo vinutím ve tvaru U.

Proudový transformátor 3 má primární vinutí ve tvaru tyče kruhového nebo obdélníkového průřezu, upevněné v průchodkovém izolátoru.

Proudový transformátor 4 má primární vinutí ve tvaru U, které je navrženo tak, že na něm je nanesena téměř veškerá vnitřní izolace proudového transformátoru.

Víceotáčkové transformátory proudu (obr. 1-1) se vyrábějí s primárním vinutím cívky umístěným na magnetickém obvodu; se smyčkovým primárním vinutím 5 sestávajícím z několika závitů; s článkovým primárním vinutím 6, vyrobeným tak, že vnitřní izolace transformátoru proudu je strukturálně rozdělena mezi primární a sekundární vinutí a vzájemné uspořádání vinutí připomíná řetězové články; s primárním vinutím ve tvaru oka, vyrobeným tak, že vnitřní izolace transformátoru proudu je nanesena převážně pouze na primární vinutí, které má tvar oka.

Hlavní parametry a charakteristiky proudového transformátoru podle GOST 7746-78 „Proudové transformátory. Obecné technické požadavky“ jsou:

1. Jmenovité napětí je efektivní hodnota síťového napětí, při kterém má proudový transformátor pracovat, uvedená na štítku s výkonem proudového transformátoru. Pro domácí proudové transformátory se používá následující stupnice jmenovitých napětí (kV):

0,66; 6; 10; 15; 20; 24; 27; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150

2. Jmenovitý primární proud I1н — uvedený na štítku s výkonem proudového transformátoru — proud procházející primárním vinutím, když

který zajišťuje nepřetržitý provoz proudového transformátoru. Pro domácí proudové transformátory se používá následující stupnice jmenovitých primárních proudů v A:

1; 5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 500; 600; 750; 800; 1000; 1200; 1500; 2000; 3000; 4000; 5000; 6000–8000; 10 000; 12 000; 14 000; 16 000; 18 000; 20 000; 25 000; 28 000; 32 000, 35 000; 40 000.

U proudových transformátorů určených pro vybavení turbogenerátorů a hydrogenerátorů se hodnoty jmenovitého proudu nad 10 000 A mohou lišit od hodnot uvedených v této stupnici.

Proudové transformátory určené pro jmenovitý primární proud 15; 30; 75; 150; 300; 600; 750; 1200; 1500; 3000 a 6000 A musí po neomezenou dobu umožňovat nejvyšší pracovní primární proud rovný 16; 32; 80; 160; 320, 630; 800; 1250; 1600; 3200 a 6300 A. V ostatních případech je nejvyšší primární proud roven jmenovitému primárnímu proudu.

3. Jmenovitý sekundární proud I2n — proud protékající sekundárním vinutím, jak je uvedeno v tabulce jmenovitých hodnot proudového transformátoru. Jmenovitý sekundární proud se bere rovný 1 nebo 5 A, přičemž proud 1 A je povolen pouze pro proudové transformátory s jmenovitým primárním proudem do 4000 A. Po dohodě se zákazníkem je povoleno vyrobit proudový transformátor s jmenovitým sekundárním proudem 2 nebo 2,5 A.

4. Sekundární zatížení proudového transformátoru z 2 n odpovídá celkovému odporu jeho vnějšího sekundárního obvodu, vyjádřenému v ohmech, s uvedením účiníku. Sekundární zatížení lze také charakterizovat celkovým výkonem ve voltampérech, který spotřebovává při daném účiníku a jmenovitém sekundárním proudu.

Sekundární zátěž s účiníkem cos ср2 = 0,8, při které je zaručena stanovená třída přesnosti proudového transformátoru nebo maximální násobek primárního proudu vzhledem k jeho jmenovité hodnotě, se nazývá jmenovitá sekundární zátěž proudového transformátoru z 2 н .ном

Pro domácí proudové transformátory se stanoví následující hodnoty jmenovitého sekundárního zatížení S²n.nom, vyjádřeného ve voltampérech, s účiníkem cos p² = 2:

1; 2; 2,5; 3; 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 60; 75; 90; 100; 120.

Odpovídající hodnoty jmenovitého sekundárního zatížení (v ohmech) jsou určeny výrazem

5. Transformační poměr proudového transformátoru se rovná poměru primárního proudu k sekundárnímu proudu.

Při výpočtech proudových transformátorů se používají dvě veličiny: skutečný transformační poměr n a jmenovitý transformační poměr nн. Skutečný transformační poměr n je poměr skutečného primárního proudu ke skutečnému sekundárnímu proudu. Jmenovitý transformační poměr nн je poměr jmenovitého primárního proudu k jmenovitému sekundárnímu proudu.

6. Odolnost proudového transformátoru vůči mechanickým a tepelným vlivům je charakterizována elektrodynamickým výdržným proudem a tepelným výdržným proudem.

Proud elektrodynamické odolnosti Id se rovná největší amplitudě zkratového proudu po celou dobu jeho průtoku, kterou proudový transformátor snese bez poškození, které by bránilo jeho dalšímu správnému provozu. Proud Id charakterizuje schopnost proudového transformátoru odolávat mechanickým (elektrodynamickým) účinkům zkratového proudu. Elektrodynamickou odolnost lze také charakterizovat multiplicitou Kd, což je poměr proudu elektrodynamické odolnosti k amplitudě jmenovitého primárního proudu. Požadavky na elektrodynamickou odolnost se nevztahují na přípojnicové, vestavěné a odnímatelné proudové transformátory.

Tepelně odolný proud Itт se rovná nejvyšší efektivní hodnotě zkratového proudu v intervalu Tт, kterou proudový transformátor vydrží po celou dobu, aniž by se části vedoucí proud zahřály na teploty přesahující teploty přípustné pro zkratové proudy a bez poškození, které by zabránilo jeho dalšímu provozu.

Základní schéma jednostupňového elektromagnetického transformátoru proudu a jeho ekvivalentní obvod jsou znázorněny na obr. 2. Jak je z diagramu patrné, hlavními prvky transformátoru proudu jsou:

Primární vinutí 1 a sekundární vinutí 2, navinuté na stejném magnetickém jádru 3, se podílejí na přeměně proudu. Primární vinutí je zapojeno sériově (v úseku vodiče vysokého napětí 4), tj. protéká jím proud vedení I1. K sekundárnímu vinutí jsou připojeny měřicí přístroje (ampérmetr, proudové vinutí měřiče) nebo relé. Za provozu proudového transformátoru je sekundární vinutí vždy sepnuto vůči zátěži.

Primární vinutí spolu s vysokonapěťovým obvodem se nazývá primární obvod a externí obvod přijímající měřené informace ze sekundárního vinutí proudového transformátoru (tj. zátěžové a připojovací vodiče) se nazývá sekundární obvod. Obvod tvořený sekundárním vinutím a k němu připojeným sekundárním obvodem se nazývá sekundární proudová větev.

Ze schématu zapojení transformátoru je zřejmé, že mezi primárním a sekundárním vinutím není žádné elektrické spojení. Při plném provozním napětí jsou od sebe navzájem izolovány. To umožňuje přímé připojení měřicích přístrojů nebo relé k sekundárnímu vinutí a tím eliminuje vliv vysokého napětí přivedeného na primární vinutí na obsluhu. Protože obě vinutí jsou připojena ke stejnému magnetickému obvodu, jsou magneticky propojena.

Obr. 2 zobrazuje pouze ty prvky proudového transformátoru, které se podílejí na transformaci proudu. Proudový transformátor má samozřejmě mnoho dalších prvků, které zajišťují požadovanou úroveň izolace, ochranu před atmosférickými vlivy, správnou instalaci a provozní vlastnosti. Ty se však na transformaci proudu nepodílejí a budou popsány níže v příslušných kapitolách.

Uvažujme principy činnosti proudového transformátoru. Primárním vinutím 1 proudového transformátoru protéká proud I1, nazývaný primární proud. Závisí pouze na parametrech primárního obvodu. Proto při analýze jevů probíhajících v proudovém transformátoru lze primární proud považovat za danou hodnotu. Když primární proud prochází primárním vinutím, v magnetickém obvodu vzniká střídavý magnetický tok Ф1, který se mění se stejnou frekvencí jako proud I1. Magnetický tok Ф1 pokrývá závity primárního i sekundárního vinutí. Magnetický tok Ф1, který prochází závity sekundárního vinutí, v něm při změně indukuje elektromotorickou sílu. Pokud je sekundární vinutí sepnuto na určitou zátěž, tj. je k němu připojen sekundární obvod, pak v takovém systému „sekundární vinutí – sekundární obvod“ bude proud protékat působením indukované elektromotorické síly. Podle Lenzova zákona bude mít tento proud směr opačný než směr primárního proudu I1. Proud procházející sekundárním vinutím vytváří v magnetickém obvodu střídavý magnetický tok Ф2, který je směrován proti magnetickému toku Ф1. V důsledku toho se magnetický tok v magnetickém obvodu způsobený primárním proudem sníží. V důsledku sčítání magnetických toků Ф1 a Ф2 se v magnetickém obvodu vytvoří výsledný magnetický tok Ф0 = Ф1 – Ф2, který tvoří několik procent magnetického toku Ф1. Tok Ф0 je přenosový článek, kterým se energie přenáší z primárního vinutí do sekundárního během procesu přeměny proudu.

Výsledný magnetický tok Ф0, procházející závity obou vinutí, indukuje při své změně v primárním vinutí protielektromotorické napětí Ex a v sekundárním vinutí elektromotorické napětí Ei. Protože závity primárního a sekundárního vinutí mají přibližně stejnou vazbu s magnetickým tokem v magnetickém obvodu (zanedbáme-li rozptyl), pak se v každém závitu obou vinutí indukuje stejné elektromotorické napětí. Pod vlivem elektromotorického napětí E2 protéká sekundárním vinutím proud I2, nazývaný sekundární proud. Označíme-li počet závitů primárního vinutí jako W1 a sekundárního vinutí jako W2, pak při průtoku proudů I1 a I2 jimi vzniká v primárním vinutí magnetomotorická síla F1 = I1*W1, nazývaná primární magnetomotorická síla (mmf), a v sekundárním vinutí magnetomotorická síla F2 = I2*W2, nazývaná sekundární mmf. Magnetomotorická síla se měří v ampérech. Pokud během procesu přeměny proudu nedochází ke ztrátám energie, musí být magnetomotorické síly F1 a F2 numericky stejné, ale směřují v opačných směrech. Proudový transformátor, ve kterém proces přeměny proudu není doprovázen ztrátami energie, se nazývá ideální. Pro ideální proudový transformátor platí následující vektorová rovnost:

F1=-F2 nebo I1W1=I2W2 z této rovnosti vyplývá, že I1/I2=W2/W1=n, tj. proudy ve vinutích ideálního proudového transformátoru jsou nepřímo úměrné počtu závitů.

Poměr primárního proudu k sekundárnímu proudu I1/I2 nebo počet závitů sekundárního vinutí k počtu závitů primárního vinutí W2/W1 se nazývá transformační poměr n ideálního proudového transformátoru. Vzhledem k této rovnosti můžeme zapsat I1=I2*W2/W1=I2*n, tj. primární proud I1 se rovná sekundárnímu proudu I2 vynásobenému transformačním poměrem proudového transformátoru n.

V reálných proudových transformátorech je přeměna proudu doprovázena ztrátami energie, která je vynakládána na vytváření magnetického toku v magnetickém obvodu, na ohřev a remagnetizaci magnetického obvodu a také na ohřev vodičů sekundárního vinutí a sekundárního obvodu. Tyto ztráty energie porušují výše uvedené rovnosti pro absolutní hodnoty činitelů magnetického toku F1 a F2. V reálném transformátoru musí primární činitel magnetického toku zajistit vytvoření potřebného sekundárního činitele magnetického toku, jakož i dodatečného činitele magnetického toku vynaloženého na magnetizaci magnetického obvodu a pokrytí dalších energetických ztrát. V důsledku toho bude mít rovnice pro reálný transformátor následující tvar:

kde je celkový magnetizační magnetický tok vynaložený na vedení magnetického toku Фо podél magnetického obvodu, na jeho ohřev a remagnetizaci.

Rovnost tedy bude mít tvar

kde i0 je magnetizační proud, který vytváří magnetický tok Ф0 v magnetickém obvodu a je součástí primárního proudu 11ш. Vydělením všech členů rovnice hodnotou W1 získáme i1=i2*W2/W1+i0. Při primárním proudu nepřesahujícím jmenovitý proud proudového transformátoru magnetizační proud obvykle netvoří více než 1-3 % primárního proudu a lze jej zanedbat. V tomto případě I1=I2*n
Sekundární proud transformátoru je tedy úměrný primárnímu proudu. Pro snížení měřeného proudu musí být počet závitů sekundárního vinutí větší než počet závitů primárního vinutí.

Reálný proudový transformátor poněkud zkresluje výsledky měření, tj. má chyby. Někdy se používá tzv. redukce proudu do primárního nebo sekundárního vinutí I0’=I0/n.

Část redukovaného primárního proudu jde na zmagnetizaci magnetického obvodu a zbytek se transformuje do sekundárního obvodu, tj. primární proud je jakoby rozvětven do dvou paralelních obvodů: obvodu zátěže a magnetizačního obvodu. To odpovídá ekvivalentnímu obvodu znázorněnému na obr. 2, kde proud I’o odbočuje z proudu I’1 do obvodu magnetizační větve zо. Zbytek proudu I’1 prochází sekundárním obvodem a představuje sekundární proud I2. Odpor primárního vinutí proudového transformátoru není v ekvivalentním obvodu znázorněn, protože neovlivňuje činnost transformátoru.