Construcția internă și tipurile de transformatoare de curent

Nucleul: inima oricărui transformator de curent

Miezul magnetic este singura componentă care definește cea mai mare performanță din interiorul unui transformator de curent. Acesta servește ca mediu prin care energia de la conductorul primar este transferată către înfășurarea secundară prin inducție electromagnetică. Forma, materialul și aria secțiunii transversale a miezului determină aproape fiecare caracteristică de performanță a dispozitivului finit.

Geometria miezului

Majoritatea miezurilor transformatoarelor de curent sunt fabricate într-o formă toroidală (inel). Această geometrie în buclă închisă asigură că calea fluxului magnetic este continuă, ceea ce minimizează scurgerea fluxului și contribuie la o precizie ridicată. Miezurile toroidale sunt standard în instrumentele de calitate superioară și de clasă de protecție, deoarece produc erori de unghi de fază foarte mici la curentul nominal.

Pentru transformatoarele de curent de tip bobinat utilizate în aplicații cu raport ridicat sau de specialitate, miezurile pot fi laminate în configurații dreptunghiulare sau în formă de C asamblate din benzi de oțel electric orientate pe granule. Aceste miezuri laminate permit producătorului să adapteze zona secțiunii transversale cu precizie pentru o sarcină țintă și o clasă de precizie.

Materiale de miez magnetic

Alegerea materialului miezului magnetic controlează direct clasa de precizie a transformatorului, comportamentul la saturație și răspunsul în frecvență. Tabelul de mai jos rezumă cele mai comune opțiuni:

Pentru măsurarea standard a frecvenței de putere la 50 Hz sau 60 Hz, oțelul siliconic CRGO rămâne alegerea dominantă datorită echilibrului său favorabil între cost, disponibilitate și performanță magnetică. Aliajele nichel-fier sunt rezervate CT-urilor de măsurare a veniturilor de precizie, unde erorile trebuie menținute în intervalul de 0,1% sau 0,2% într-o gamă largă de sarcini.

Laminarea miezului și izolația

Pentru a reduce pierderile de curenți turbionari, miezurile de siliciu-oțel sunt laminate în benzi subțiri, de obicei de 0,23 mm până la 0,35 mm grosime. Fiecare laminare este acoperită cu un strat izolator subțire - de obicei un tratament cu fosfat sau un lac organic - care împiedică curgerea curentului între straturi. Laminarea mai strânsă și benzile mai subțiri reduc pierderile și acumularea de căldură în condiții de suprasarcină susținută.

Înfășurare secundară: conversia fluxului într-un semnal măsurabil

Înfășurarea secundară este înfășurată direct pe miez și este responsabilă pentru producerea curentului de ieșire pe care îl măsoară instrumentele, releele și contoarele. Construcția fizică a acestei înfășurări afectează atât precizia, cât și performanța termică.

Sârmă de înfășurare și material conductor

Practic, toate înfășurările secundare sunt înfășurate din sârmă de cupru emailată. Combinația cuprului de conductivitate electrică ridicată, ductilitate și caracteristici de temperatură bine înțelese îl face alegerea standard. În modelele ușoare specializate, sârma de aluminiu este folosită ocazional, deși necesită secțiuni transversale mai mari pentru a atinge aceeași țintă de rezistență și necesită o terminare atentă pentru a preveni coroziunea.

Ecartamentul firului este ales pentru a îndeplini specificația de rezistență a înfășurării secundare (denumită adesea Rct - rezistența înfășurării secundare). Un Rct mai mic permite ca o parte mai mare din EMF secundar disponibil să fie livrată la sarcina externă, mai degrabă decât să fie disipată intern sub formă de căldură. Acest lucru afectează în mod direct precizia la niveluri scăzute de sarcină.

Tehnica de înfășurare și numărul de ture

Numărul de spire al înfășurării secundare determină raportul de transformare în combinație cu spirele primare. Pentru un transformator de curent standard de tip bară sau de tip fereastră în care primarul este un singur conductor de trecere, numărul de spire primare este 1. Roturile secundare sunt apoi setate pentru a atinge raportul dorit - de exemplu, 200 de spire pentru un raport de 200:1 într-un transformator de 200 A / 1 A.

Înfășurările sunt distribuite uniform în jurul toroidului pentru a asigura o forță magnetomotoare echilibrată și pentru a minimiza fluxul de scurgere. Uniformitatea este esențială în special în proiectele de înaltă precizie, unde chiar și micile asimetrii în distribuția înfășurării pot introduce erori măsurabile ale unghiului de fază.

Izolație între straturi

Înfășurările cu mai multe straturi necesită izolație între straturi pentru a preveni întreruperea tensiunii între spire la potențiale diferite. Materialele izolante inter-strat comune includ:

• Bandă de film din poliester (de tip Mylar) - utilizată în TC de tensiune joasă până la medie pentru echilibrul său dintre rezistența dielectrică și profilul subțire
• Film de poliimidă (tip Kapton) - selectat atunci când temperaturile de funcționare depășesc 130°C sau când este necesară o izolație foarte subțire fără a sacrifica rezistența la tensiune
• Hârtie Nomex - utilizată în medii uscate, cu temperaturi ridicate, unde materialele pe bază de celuloză s-ar degrada

Aranjamentele conductoarelor primare în construcția transformatoarelor de curent

Partea primară a unui transformator de curent poate fi aranjată în mai multe moduri distinct diferite, fiecare având ca rezultat un tip de construcție mecanică diferit. Aceasta este baza principală pentru clasificarea CT-urilor după proiectarea fizică.

Construcția transformatorului de curent tip bar

Un transformator de curent tip bară folosește un conductor primar fix, instalat din fabrică - de obicei o bară de cupru sau aluminiu - care trece prin centrul ansamblului miez și înfășurare toroidal sau dreptunghiular. Miezul și înfășurarea secundară sunt încapsulate în jurul acestei bare. Această construcție oferă o rigiditate mecanică maximă și este preferată pentru instalațiile de comutație și bare colectoare unde curentul primar nominal variază de la 400 A la câteva mii de amperi.

Deoarece bara este setată din fabrică, TC-urile de tip bară nu sunt reglabile în câmp. Curentul primar nominal este determinat la fabricație. Ele sunt, totuși, extrem de stabile de-a lungul deceniilor de funcționare, deoarece nu există îmbinări mecanice în calea primară care se pot slăbi sau coroda.

Construcția transformatorului de curent tip fereastră

CT-urile de tip fereastră, uneori numite transformatoare de curent de tip inel sau gogoașă, constau dintr-un miez toroidal înfășurat cu bobina secundară și închis într-o carcasă care are o deschidere centrală. Conductorul primar - indiferent de cablu sau bară care transportă curentul măsurat - este pur și simplu trecut prin această deschidere la instalare. Nu se realizează nicio legătură electrică între corpul TC și conductorul primar; transformatorul funcționează pur prin inducție.

Acest design este versatil deoarece un singur model CT poate fi instalat pe conductori de secțiuni transversale diferite, atâta timp cât conductorul se potrivește fizic prin fereastră. CT-urile de tip fereastră sunt utilizate pe scară largă în panouri, monitorizarea cablurilor și modernizarea instalațiilor existente.

Construcția transformatorului de curent bobinat

Într-un transformator de curent bobinat, înfășurarea primară constă dintr-una sau mai multe spire de conductor de cupru izolat înfășurat direct pe miez, alături de secundar. Acest aranjament este utilizat atunci când curentul primar este relativ scăzut - de obicei sub 100 A - și un conductor cu o singură trecere ar produce flux insuficient pentru măsurarea precisă.

Prin adăugarea a două, trei sau mai multe ture primare, raportul de transformare efectiv este multiplicat fără a necesita un miez mai mare din punct de vedere fizic. Un TC bobinat cu 5 spire primare și 1.000 de spire secundare are un raport efectiv de 1.000:5 sau 200:1, cu un primar cu 5 ture care antrenează un flux mai mare pentru același curent de linie decât ar fi un primar cu o singură bară.

CT-urile de tip bobinat sunt de obicei mai scumpe decât tipurile de bare sau ferestre la aceeași valoare nominală de curent, deoarece procesul de înfășurare suplimentar adaugă forță de muncă și izolația conductorului primar trebuie să fie evaluată pentru tensiunea completă linie la linie a sistemului.

Transformator de curent cu miez divizat: construcție și aplicații

The transformator de curent divizat rezolvă o problemă practică specifică: cum se instalează un transformator de curent pe un conductor care nu poate fi scos de sub tensiune sau deconectat. Miezul magnetic este împărțit în două jumătăți de-a lungul unei îmbinări prelucrate cu precizie. Un mecanism de balama sau de blocare ține jumătățile închise în timpul funcționării și le permite să fie separate pentru instalare.

Când jumătățile miezului sunt deschise, CT poate fi poziționat în jurul unui cablu sub tensiune. Odată închis și blocat, circuitul magnetic este complet și dispozitivul funcționează identic cu un TC toroidal solid de dimensiuni echivalente.

Provocarea inginerească cheie în proiectarea cu miez divizat este reducerea la minimum a golului de aer la îmbinare. Chiar și un interval microscopic în circuitul magnetic crește dramatic curentul de magnetizare necesar și introduce erori, în special la niveluri scăzute ale curentului primar, aproape de 5% până la 20% din valoarea nominală. Producătorii abordează acest lucru prin:

• Prelucrarea de precizie a suprafețelor de îmbinare la toleranțe sub 10 micrometri
• Utilizarea de materiale de bază cu permeabilitate ridicată, care sunt mai tolerante la golurile reziduale mici
• Încuietori cu arc care aplică o forță de strângere constantă pentru a menține jumătățile ferm împerecheate
• Materiale de bază nanocristaline sau amorfe, care mențin o eroare mai mică chiar și cu închiderea ușor imperfectă

CT-urile split-core sunt utilizate pe scară largă în auditul energetic, sistemele de management al energiei clădirilor, panourile de monitorizare a puterii modernizate și orice aplicație în care instalarea trebuie efectuată fără a opri circuitul monitorizat. Sunt disponibile în clase de precizie de la Clasa 1 până la Clasa 0,5, în funcție de materialul de bază și de calitatea îmbinării.

Transformator de curent toroidal: de ce domină forma inelului

Transformatorul de curent toroidal este de departe cea mai comună construcție utilizată în măsurarea curentului modern pe panou și în linie. Caracteristica sa definitorie este miezul în formă de gogoașă, care creează o cale magnetică închisă fără spațiu de aer deliberat (în versiunile cu miez solid) și fără fețe expuse ale stâlpilor.

Eficiența magnetică a miezului toroidal

Deoarece fluxul magnetic circulă în întregime în interiorul materialului de bază într-un design toroidal, în esență niciun flux nu scapă în aerul înconjurător. Acest lucru are două consecințe practice. În primul rând, curentul de magnetizare necesar pentru a stabili fluxul de lucru este foarte scăzut, ceea ce reduce direct eroarea raportului și deplasarea de fază. În al doilea rând, CT toroidal este mult mai puțin sensibil la poziția conductorului primar în interiorul ferestrei - o proprietate numită imunitate la erori de poziție - în comparație cu modelele cu miez dreptunghiular.

Într-un CT toroidal bine proiectat, mutarea conductorului primar din centrul ferestrei într-o poziție decentrată introduce mai puțin de 0,05% eroare suplimentară a raportului. Într-un CT cu miez dreptunghiular, aceeași deplasare poate introduce erori care depășesc 0,3%.

Fabricarea miezurilor toroidale

Miezurile toroidale pentru transformatoarele de curent sunt fabricate prin una dintre cele trei metode, în funcție de materialul țintă:

1. Miezuri înfăşurate cu bandă — O bandă continuă de oțel siliciu, aliaj de nichel-fier sau panglică nanocristalină este înfășurată în spirală în jurul unui dorn și apoi tratată termic pentru a elimina stresul mecanic introdus în timpul înfășurării. Această metodă este utilizată pentru cele mai înalte grade de precizie.
2. Miezuri de laminare stivuite — Laminările individuale perforate sunt stivuite și intercalate pentru a forma un inel, utilizat în mod obișnuit pentru miezuri cu diametru mai mare, unde înfășurarea cu bandă ar produce stres intern excesiv.
3. Miezuri de ferită sub formă de pulbere sau sinterizat — Folosit pentru aplicații de înaltă frecvență; ferita este presată într-o matriță toroidală și sinterizată la temperatură ridicată.

Sisteme de izolare în transformatoare de curent

Izolația CT trebuie să îndeplinească două funcții simultan: izolarea conductorului primar de înaltă tensiune de circuitul secundar de joasă tensiune și protejarea înfășurării și a ansamblului miezului de degradarea mediului. Sistemul de izolație ales depinde de tensiunea nominală, de mediul ambiant și de cerințele mecanice ale aplicației.

Încapsulare cu rășină (formare epoxidică sau poliuretanică)

Majoritatea transformatoarelor de curent de joasă și medie tensiune utilizate în panourile de contorizare și aparatele de comutare sunt fabricate prin turnare sau injectare în vid a rășinii epoxidice în jurul ansamblului miezului bobinat. Acest proces, adesea numit construcție cu carcasă turnată, creează un corp izolant solid, fără goluri, care:

• Oferă rezistență dielectrică care depășește 3 kV/mm pentru sistemele epoxidice standard
• Elimină pătrunderea umezelii fără etanșare suplimentară
• Protejează mecanic miezul și înfășurarea de vibrații și șocuri
• Permite controlul dimensional precis al corpului extern pentru montarea pe panou

Impregnarea sub presiune sub vid (VPI) este utilizată pentru ansambluri mai mari în care turnarea nu este practică. Înfășurarea este scufundată în rășină sub vid pentru a îndepărta aerul prins, apoi sub presiune pentru a forța rășina în fiecare gol înainte de întărire.

Izolație umplută cu ulei

Transformatoarele de curent de înaltă tensiune de peste 36 kV folosesc de obicei ulei mineral ca mediu primar de izolare și răcire. Miezul bobinat și ansamblul secundar sunt plasate în interiorul unui rezervor metalic etanș umplut cu ulei mineral de calitate pentru transformator. Izolația din hârtie de celuloză este înfășurată în jurul conductorului primar în mai multe straturi, creând distanța de curgere necesară pentru a rezista la tensiunea de linie.

CT-urile umplute cu ulei sunt standardul pentru instalațiile de 110 kV, 220 kV și 500 kV în stațiile de transport. Prelevarea regulată de probe de ulei și analiza gazelor dizolvate permit echipelor de întreținere să detecteze degradarea incipientă a izolației înainte de apariția defecțiunilor.

Transformatoare de curent izolate cu gaz

În instalațiile de comutație izolate cu gaz (GIS), transformatoarele de curent sunt integrate în carcasa GIS și utilizează gaz cu hexafluorura de sulf (SF6) ca mediu izolator. Aceste CT beneficiază de aceeași amprentă compactă ca și tabloul de distribuție din jur și nu necesită întreținere lichidă, deși sistemul de gaz etanș trebuie monitorizat pentru presiune și puritate.

Modele de tip uscat și izolate cu aer

Pentru instalațiile interioare în medii controlate la tensiuni de până la aproximativ 36 kV, TC-urile de tip uscat care utilizează materiale izolante solide (fibră de sticlă lipită cu rășină, rășină turnată sau Nomex) oferă o alternativă la modelele umplute cu ulei. Sunt mai ușoare, elimină riscul de scurgere de petrol și simplifică întreținerea, deși sunt mai sensibile la condens și poluare dacă sunt utilizate în medii dure exterioare.

Clasificarea transformatoarelor de curent după tipul de construcție

Următorul tabel consolidează principalele tipuri de construcție, intervalele de curent tipice ale acestora, capacitățile de precizie și sectoarele de aplicare primare:

Cum afectează construcția internă acuratețea și performanța

Selectarea transformatorului de curent potrivit nu este doar o chestiune de potrivire a raportului de curent. Construcția internă determină modul în care un CT se comportă în intervalul său de funcționare, în condiții de variație a sarcinii, la temperaturi ridicate și în prezența armonicilor.

Eroare de raport și originile sale

Eroarea de raport apare deoarece curentul de magnetizare - curentul necesar pentru a stabili fluxul în miez - nu apare în ieșirea secundară. Tot curentul de magnetizare este extras din primar, dar niciunul nu ajunge la sarcină. Cu cât curentul de magnetizare este mai mare față de curentul primar, cu atât eroarea raportului este mai mare. Miezurile nichel-fier și nanocristaline, cu permeabilitatea lor foarte mare, necesită mult mai puțin curent de magnetizare decât miezurile din siliciu-oțel și, prin urmare, obțin erori de raport mai mici la aceeași secțiune transversală a miezului.

Eroare de deplasare de fază

Deplasarea de fază este diferența unghiulară, măsurată în minute de arc, între fazorul de curent primar și fazorul de curent secundar (inversat pentru direcție). Deplasarea de fază este deosebit de importantă în măsurarea factorului de putere și a energiei, deoarece chiar și o eroare unghiulară mică introduce o eroare dependentă de cosinus în calculele wat-oră. O deplasare de fază de 10 minute la o sarcină cu un factor de putere de 0,5 poate produce o eroare de măsurare a energiei de aproximativ 0,5%.

Povara și efectul acesteia asupra preciziei

Sarcina secundară - impedanța totală a instrumentelor conectate, rezistența cablajului și bobinele releului - afectează direct performanța clasei de precizie. Cele mai multe specificații ale clasei de precizie (IEC 61869, IEEE C57.13) definesc performanța la o sarcină nominală și la 25% din sarcina nominală. Un CT specificat ca Clasa 0,5 la o sarcină de 5 VA va funcționa cu o eroare de raport de 0,5% numai atunci când sarcina conectată nu depășește 5 VA. Depășirea sarcinii nominale crește tensiunea la borna secundară, conduce miezul spre saturație și degradează precizia.

Performanță armonică

În instalațiile de acționare cu viteză variabilă, cuptoarele cu arc și sistemele de alimentare ale centrelor de date, curentul primar conține un conținut armonic semnificativ - adesea la 5, 7, 11 și 13 armonici. Miezurile standard din oțel siliciu prezintă pierderi tot mai mari și distorsiuni ale unghiului de fază la frecvențe armonice. Miezurile nanocristaline și amorfe, cu curba lor plată de permeabilitate extinzându-se la câțiva kiloherți, oferă o precizie substanțial mai bună pe formele de undă distorsionate și sunt alegerea preferată pentru analizoarele de calitate a puterii de clasa A.

Carcasă exterioară și configurații de montare

Carcasa unui transformator de curent protejează componentele active de expunerea la mediu și oferă interfața mecanică pentru instalare. Designul carcasei variază semnificativ între categoriile de aplicații.

Carcasă turnată cu montare pe panou

CT-urile de joasă tensiune pentru panouri de măsurare sunt produse aproape universal în carcase din poliester armat cu fibră de sticlă (GRP) sau policarbonat formate prin turnare prin injecție în jurul ansamblului miez turnat-rășină. Carcasa integrează urechi de montare sau cleme șină DIN, blocuri de borne secundare evaluate pentru curentul de ieșire așteptat și marcaje de polaritate (P1/P2 pentru primar, S1/S2 pentru secundar) conform standardelor IEC.

Transformatoare de curent de tip bucșă

Bucșele CT sunt ansambluri în formă de inel concepute pentru a aluneca peste bucșa de porțelan sau polimer a unui transformator de putere sau întrerupător. Nu au locuințe proprii; în schimb, acestea sunt prinse între flanșa bucșei și capacul rezervorului transformatorului. Bucșele CT sunt unele dintre cele mai compacte modele, deoarece bucșa în sine asigură conductorul primar și izolarea tensiunii.

Modele izolate cu porțelan și polimeri pentru exterior

Transformatoarele de curent de exterior de medie și înaltă tensiune sunt găzduite în ansambluri sigilate, fie din porțelan, fie din cauciuc siliconic izolator. Profilul șopronului este proiectat pentru a menține o distanță de curgere adecvată în condiții de poluare - standardul IEC cere un flux minim de 16 mm/kV pentru mediile ușor poluate și de până la 31 mm/kV pentru locurile puternic poluate. Carcasele compozite din cauciuc siliconic au înlocuit în mare măsură porțelanul în noile instalații datorită greutății mai mici, performanței superioare la poluare în medii contaminate și rezistenței la rupere fragilă.

Integrarea transformatoarelor de curent în sistemele de măsurare

Un sistem complet de măsurare a curentului implică CT, cablurile de interconectare și instrumentul de recepție. The transformator de curent divizat este adesea alegerea preferată în proiectele de contorizare de modernizare din acest motiv - poate fi instalat fără întreruperea serviciului. Odată instalat, secundarul CT se conectează la contoare de energie, analizoare de putere sau relee de protecție prin circuite CT dedicate, care trebuie menținute în permanență închise în timpul funcționării pentru a evita condițiile periculoase de supratensiune secundară.

Standarde de precizie și desemnări de clasă

Clasele de precizie ale transformatoarelor de curent sunt definite de standardele internaționale și regionale. Cele mai menționate două sunt IEC 61869-2 (fost IEC 60044-1) și IEEE C57.13. Înțelegerea denumirilor claselor ajută la specificarea CT potrivită pentru aplicație.

Clasele de măsurare IEC

IEC 61869-2 definește clasele de precizie de măsurare ca 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 și 3. Sufixul „S” (special) indică precizie extinsă la curent scăzut - în special, CT trebuie să îndeplinească specificația de eroare a raportului până la 1% din curentul nominal, mai degrabă decât 1% din curentul nominal. Clasele 0,5S și 0,2S sunt necesare pentru contoarele de energie de calitate superioară conform multor cadre de reglementare, deoarece sarcinile funcționează frecvent cu mult sub 100% din curentul primar nominal al TC.

Clasele de protecție IEC

CT-urile din clasa de protecție sunt desemnate prin factorul lor limită de precizie (ALF) și comportamentul la genunchi. Clasele 5P și 10P sunt denumirile standard, unde numărul indică eroarea compozită maximă la factorul limită de precizie nominală. Un TC 5P20 menține o eroare compozită care nu depășește 5% atunci când curentul primar este de 20 de ori curentul nominal - condiția necesară pentru funcționarea fiabilă a releelor ​​de supracurent în condiții de defecțiune.

Clasele IEEE

Standardul IEEE C57.13 utilizează o combinație de litere-număr: litera (C, K, T sau X) indică baza de performanță, iar numărul indică tensiunea la borna secundară la sarcina nominală și de 20 de ori curentul nominal. Un CT C200 își poate furniza curentul secundar nominal într-o sarcină care dezvoltă 200 V la de 20 de ori curentul primar nominal, fără a depăși eroarea raportului de 10%. Acest sistem de clasificare este predominant în practica de protecție industrială și de utilități din America de Nord.

Întrebări frecvente