Proudové transformátory — princip činnosti a použití

Při práci s energetickými systémy je často nutné převádět určité elektrické veličiny na jim podobná analoga s proporcionálně změněnými hodnotami. To vám umožní simulovat určité procesy v elektrických instalacích a bezpečně provádět měření.

Provoz proudového transformátoru (CT) je založen na zákon elektromagnetické indukcepracující v elektrických a magnetických polích měnících se ve formě harmonických střídavých sinusových velikostí.

Převádí primární hodnotu vektoru proudu tekoucího v silovém obvodu na sekundární redukovanou hodnotu, respektující modulovou úměrnost a přesný úhlový přenos.

Princip činnosti proudového transformátoru

Demonstraci procesů probíhajících při transformaci elektrické energie uvnitř transformátoru vysvětluje schéma.

Výkonovým primárním vinutím protéká proud I1 s počtem závitů w1 a překonává jeho impedanci 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 magnetickou energii.

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

Volá se veličina K1, určená poměrem vektorů I1 / I2 transformační koeficient... Její hodnota se nastavuje při návrhu zařízení a měří se v hotových konstrukcích. Rozdíly mezi ukazateli reálných modelů a vypočtenými hodnotami jsou hodnoceny metrologickou charakteristikou — třídou přesnosti proudového transformátoru.

Ve skutečném provozu nejsou hodnoty proudů v cívkách konstantními hodnotami. Proto je transformační koeficient obvykle označen nominálními hodnotami. Například jeho výraz 1000/5 znamená, že při primárním provozním proudu 1 kiloampér bude v sekundárních závitech působit 5 ampérových zátěží. Tyto hodnoty se používají pro výpočet dlouhodobého výkonu tohoto proudového transformátoru.

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

Nebezpečné faktory při provozu proudového transformátoru

Schopnost ovlivnění vysokým napěťovým potenciálem v případě poruchy izolace

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

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

Tato svorka je vždy označena na krytu zařízení a je vyznačena na schématech zapojení.

Možnost ovlivnění vysokým napěťovým potenciálem v případě poruchy sekundárního okruhu

Závěry sekundárního vinutí jsou označeny «I1» a «I2», takže směr protékajících proudů je polární, shoduje se ve všech vinutích. Když je transformátor v provozu, musí být vždy připojen k zátěži.

Vysvětluje se to tím, že proud procházející primárním vinutím má vysoký potenciální výkon (S = UI), který se transformuje na sekundární obvod s nízkými ztrátami a při jeho přerušení proudová složka prudce klesá na hodnoty úniku prostředím, ale zároveň pokles výrazně zvyšuje napětí v lomené části.

Potenciál na otevřených kontaktech sekundárního vinutí při průchodu proudu v primární smyčce může dosáhnout několika kilovoltů, což je velmi nebezpečné.

Proto musí být všechny sekundární obvody proudových transformátorů vždy bezpečně smontovány a bočníkové zkraty musí být vždy instalovány na vinutí nebo jádra vyřazená z provozu.

Konstrukční řešení používaná v obvodech proudových transformátorů

Každý proudový transformátor jako elektrické zařízení je určen k řešení určitých problémů při provozu elektrických instalací. Průmysl jich vyrábí velký sortiment. V některých případech je však při vylepšování konstrukcí jednodušší použít hotové modely s osvědčenými technologiemi než předělávat a vyrábět nové.

Princip vytvoření jednootáčkového TT (v primárním okruhu) je základní a je znázorněn na fotografii vlevo.

Primární vinutí, pokryté izolací, je zde tvořeno přímočarou sběrnicí L1-L2 procházející magnetickým obvodem transformátoru a sekundární je navinuto se závity kolem něj 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 obvody prochází určitý počet závitů výkonových vinutí. Tímto způsobem se nejen zvýší výkon, ale dále se zvýší počet výstupních připojených obvodů.

Tyto tři principy lze měnit různými způsoby. Například použití několika identických cívek kolem jediného magnetického obvodu je široce rozšířeno pro vytvoření samostatných, nezávislých sekundárních obvodů, které fungují autonomně. Ty se nazývají jádra. Tímto způsobem se k proudovým obvodům jednoho proudového transformátoru připojí ochrana spínačů nebo vedení (transformátorů) s různým účelem.

V zařízeních energetických zařízení pracují kombinované proudové transformátory s výkonným magnetickým obvodem, používané v nouzových režimech zařízení, a obvyklým, určeným pro měření jmenovitých parametrů sítě.Cívky ovinuté kolem armatury se používají k ovládání ochranných zařízení, zatímco konvenční cívky se používají k měření proudu nebo výkonu / odporu.

Jmenují se takto:

• ochranné cívky označené indexem «P» (relé);

• měření označené čísly metrologické třídy přesnosti TT, například «0,5».

Ochranná vinutí za normálního provozu proudového transformátoru zajišťují měření vektoru primárního proudu s přesností 10 %. S touto hodnotou se jim říká „deset procent“.

Chyby měření

Princip stanovení přesnosti transformátoru umožňuje vyhodnotit jeho ekvivalentní obvod zobrazený na fotografii. V něm jsou všechny hodnoty primárních veličin podmíněně redukovány na činnost v sekundárních smyčkách.

Ekvivalentní obvod popisuje všechny procesy probíhající ve vinutí, 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 s hodnotou I směrem k nám (magnetizace).

Čím větší jsou tyto odchylky, tím je přesnost proudového transformátoru nižší.Pro zohlednění chyb měření CT jsou zavedeny následující koncepty:

• relativní proudová chyba vyjádřená v procentech;

• úhlová chyba vypočtená z délky oblouku AB v radiánech.

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

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

Praktická aplikace proudových transformátorů

Různorodé množství jejich modelů najdeme jak v malých elektronických zařízeních umístěných v malé skříni, tak v energetických zařízeních, která zabírají značné rozměry několika metrů, jsou rozděleny podle provozních charakteristik.

Klasifikace proudových transformátorů

Po dohodě se dělí na:

• měření, přenos proudů do měřicích přístrojů;
• chráněné, připojené k proudovým ochranným obvodům;
• laboratoř s vysokou třídou přesnosti;
• meziprodukty používané pro opětovnou konverzi.

Při provozu zařízení se TT používá:

• venkovní venkovní instalace;

• pro uzavřené instalace;

• vestavěné zařízení;

• shora — vložte rukáv;

• přenosný, což vám umožní provádět měření na různých místech.

Podle hodnoty provozního napětí zařízení TT jsou:

• vysoké napětí (více než 1000 voltů);

• pro hodnoty jmenovitého napětí do 1 kilovoltu.

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

Dokončené úkoly

Externí měřicí transformátory proudu se používají pro provoz elektrických obvodů pro měření elektrické energie, měření a ochrany vedení nebo výkonových autotransformátorů.

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

Stejné úkoly plní proudové transformátory vnějšího rozvaděče-330 kV, ale vzhledem ke složitosti zařízení vyššího napětí mají mnohem větší rozměry.

Na energetických zařízeních se často používají vestavěné konstrukce proudových transformátorů, které jsou umístěny přímo na plášti elektrárny.

Mají sekundární vinutí s vodiči umístěnými kolem vysokonapěťové průchodky v utěsněném pouzdře. Kabely od svorek CT jsou vedeny do zde připevněných svorkovnic.

Vnitřní vysokonapěťové transformátory proudu nejčastěji používají jako izolant speciální transformátorový olej. Příklad takového provedení je znázorněn na fotografii pro proudové transformátory řady TFZM určené pro provoz při 35 kV.

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

Příklad proudového transformátoru TPL-10 používaného v KRUN, uzavřených rozváděčích a dalších typech rozváděčů.

Příklad zapojení sekundárního proudového obvodu jednoho z ochranných žil REL 511 pro jistič 110 kV je znázorněn zjednodušeným schématem.

Poruchy proudového transformátoru a jak je najít

Proudový transformátor připojený k zátěži může vlivem tepelného přehřátí, náhodných mechanických vlivů nebo v důsledku špatné instalace porušit elektrický odpor izolace vinutí nebo jejich vodivost.

U provozních zařízení dochází nejčastěji k poškození izolace, což má za následek otočné zkratování vinutí (snížení přenášeného výkonu) nebo vznik svodových proudů náhodně vytvořenými zkratovými obvody.

Za účelem identifikace míst nekvalitní instalace silového obvodu se pravidelně provádějí kontroly pracovního obvodu termokamerami.Na jejich základě se okamžitě odstraní závady přerušených kontaktů, sníží se přehřívání zařízení.

Nepřítomnost zavírání od zatáčky k zatáčce kontrolují specialisté z laboratoří ochrany relé a automatizace:

• převzetí charakteristiky proud-napětí;

• nabíjení transformátoru z externího zdroje;

• měření hlavních parametrů v pracovním schématu.

Analyzují také hodnotu transformačního koeficientu.

Ve všech pracích je poměr mezi vektory primárního a sekundárního proudu odhadován podle velikosti. Jejich úhlové odchylky se neprovádějí z důvodu nedostatku vysoce přesných fázových měřicích přístrojů, které se používají ke kontrole proudových transformátorů v metrologických laboratořích.

Vysokonapěťové zkoušky dielektrických vlastností jsou zadány specialistům laboratoře izolačních služeb.