Μετασχηματιστές ρεύματος — αρχή λειτουργίας και εφαρμογής

Όταν εργάζεστε με ενεργειακά συστήματα, είναι συχνά απαραίτητο να μετατρέπονται ορισμένα ηλεκτρικά μεγέθη σε ανάλογα με αυτά με αναλογικά μεταβαλλόμενες τιμές. Αυτό σας επιτρέπει να προσομοιώνετε ορισμένες διαδικασίες σε ηλεκτρικές εγκαταστάσεις και να κάνετε μετρήσεις με ασφάλεια.

Η λειτουργία του μετασχηματιστή ρεύματος (CT) βασίζεται σε ο νόμος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγήςπου λειτουργούν σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία που ποικίλλουν με τη μορφή αρμονικών εναλλασσόμενων ημιτονοειδών μεγεθών.

Μετατρέπει την κύρια τιμή του διανύσματος ρεύματος που ρέει στο κύκλωμα ισχύος σε δευτερεύουσα μειωμένη τιμή, τηρώντας την αναλογικότητα του συντελεστή και την ακριβή μετάδοση γωνίας.

Η αρχή λειτουργίας του μετασχηματιστή ρεύματος

Η επίδειξη των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα κατά τον μετασχηματισμό της ηλεκτρικής ενέργειας μέσα στον μετασχηματιστή εξηγείται από το διάγραμμα.

Το ρεύμα I1 ρέει μέσω του πρωτογενούς τυλίγματος ισχύος με τον αριθμό των στροφών w1, ξεπερνώντας την αντίστασή του Z1.Γύρω από αυτό το πηνίο σχηματίζεται μια μαγνητική ροή F1, η οποία συλλαμβάνεται από ένα μαγνητικό κύκλωμα που βρίσκεται κάθετα προς την κατεύθυνση του διανύσματος I1. Αυτός ο προσανατολισμός εξασφαλίζει ελάχιστη απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας όταν μετατρέπεται σε μαγνητική ενέργεια.

Διασχίζοντας τις κάθετα τοποθετημένες στροφές της περιέλιξης w2, η ροή F1 προκαλεί σε αυτές μια ηλεκτροκινητική δύναμη E2, υπό την επίδραση της οποίας προκύπτει ένα ρεύμα I2 στη δευτερεύουσα περιέλιξη, ξεπερνώντας την αντίσταση του πηνίου Z2 και το συνδεδεμένο φορτίο εξόδου Zn. Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζεται πτώση τάσης U2 στους ακροδέκτες του δευτερεύοντος κυκλώματος.

Η ποσότητα Κ1 ονομάζεται, καθορίζεται από την αναλογία των διανυσμάτων I1 / I2 συντελεστής μετασχηματισμού... Η τιμή της τίθεται κατά τη σχεδίαση συσκευών και μετράται σε έτοιμες δομές. Οι διαφορές μεταξύ των δεικτών των πραγματικών μοντέλων και των υπολογισμένων τιμών αξιολογούνται από το μετρολογικό χαρακτηριστικό - κατηγορία ακρίβειας ενός μετασχηματιστή ρεύματος.

Στην πραγματική λειτουργία, οι τιμές των ρευμάτων στα πηνία δεν είναι σταθερές τιμές. Επομένως, ο συντελεστής μετασχηματισμού συνήθως υποδεικνύεται με ονομαστικές τιμές. Για παράδειγμα, η έκφρασή του 1000/5 σημαίνει ότι με πρωτεύον ρεύμα λειτουργίας 1 κιλοαμπέρ, στις δευτερεύουσες στροφές θα ενεργούν 5 φορτία αμπέρ. Αυτές οι τιμές χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της μακροπρόθεσμης απόδοσης αυτού του μετασχηματιστή ρεύματος.

Η μαγνητική ροή F2 από το δευτερεύον ρεύμα I2 μειώνει την τιμή της ροής F1 στο μαγνητικό κύκλωμα. Σε αυτή την περίπτωση, η ροή από τον μετασχηματιστή Ф που δημιουργείται σε αυτόν προσδιορίζεται από το γεωμετρικό άθροισμα των διανυσμάτων Ф1 και Ф2.

Επικίνδυνοι παράγοντες κατά τη λειτουργία του μετασχηματιστή ρεύματος

Δυνατότητα επηρεασμού από δυναμικό υψηλής τάσης σε περίπτωση αστοχίας μόνωσης

Δεδομένου ότι το μαγνητικό κύκλωμα του ΤΤ είναι κατασκευασμένο από μέταλλο, έχει καλή αγωγιμότητα και συνδέει μαγνητικά τα μονωμένα τυλίγματα (πρωτεύοντα και δευτερεύοντα) μεταξύ τους, υπάρχει αυξημένος κίνδυνος ηλεκτροπληξίας σε προσωπικό ή ζημιά εξοπλισμού εάν σπάσει το στρώμα μόνωσης.

Για την αποφυγή τέτοιων καταστάσεων, η γείωση ενός από τους δευτερεύοντες ακροδέκτες του μετασχηματιστή χρησιμοποιείται για την αποστράγγιση του δυναμικού υψηλής τάσης σε αυτόν σε περίπτωση ατυχήματος.

Αυτός ο ακροδέκτης επισημαίνεται πάντα στο περίβλημα της συσκευής και υποδεικνύεται στα διαγράμματα σύνδεσης.

Η πιθανότητα να επηρεαστεί από δυναμικό υψηλής τάσης σε περίπτωση βλάβης δευτερεύοντος κυκλώματος

Τα συμπεράσματα της δευτερεύουσας περιέλιξης σημειώνονται με «I1» και «I2», επομένως η κατεύθυνση των ρευμάτων που ρέουν είναι πολική, συμπίπτει σε όλες τις περιελίξεις. Όταν ο μετασχηματιστής λειτουργεί, πρέπει πάντα να είναι συνδεδεμένοι στο φορτίο.

Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι το ρεύμα που διέρχεται από το πρωτεύον τύλιγμα έχει υψηλή δυναμική ισχύ (S = UI), το οποίο μετατρέπεται σε δευτερεύον κύκλωμα με χαμηλές απώλειες και όταν διακόπτεται, το τρέχον στοιχείο μειώνεται απότομα στις τιμές διαρροής από το περιβάλλον, αλλά ταυτόχρονα η πτώση αυξάνει σημαντικά τις τάσεις στο σπασμένο τμήμα.

Το δυναμικό στις ανοιχτές επαφές της δευτερεύουσας περιέλιξης κατά τη διέλευση του ρεύματος στον πρωτεύοντα βρόχο μπορεί να φτάσει αρκετά kilovolt, κάτι που είναι πολύ επικίνδυνο.

Επομένως, όλα τα δευτερεύοντα κυκλώματα των μετασχηματιστών ρεύματος πρέπει πάντα να συναρμολογούνται με ασφάλεια και τα βραχυκυκλώματα διακλάδωσης πρέπει πάντα να εγκαθίστανται σε περιελίξεις ή πυρήνες που έχουν τεθεί εκτός λειτουργίας.

Λύσεις σχεδιασμού που χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα μετασχηματιστών ρεύματος

Κάθε μετασχηματιστής ρεύματος, ως ηλεκτρική συσκευή, έχει σχεδιαστεί για να επιλύει ορισμένα προβλήματα κατά τη λειτουργία ηλεκτρικών εγκαταστάσεων. Η βιομηχανία παράγει μια μεγάλη ποικιλία από αυτά. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, κατά τη βελτίωση των κατασκευών, είναι ευκολότερο να χρησιμοποιηθούν έτοιμα μοντέλα με δοκιμασμένες τεχνολογίες παρά να επανασχεδιαστούν και να κατασκευαστούν νέα.

Η αρχή της δημιουργίας TT μονής στροφής (στο πρωτεύον κύκλωμα) είναι βασική και φαίνεται στη φωτογραφία στα αριστερά.

Εδώ το πρωτεύον τύλιγμα, καλυμμένο με μόνωση, αποτελείται από έναν δίαυλο ευθείας γραμμής L1-L2 που διέρχεται από το μαγνητικό κύκλωμα του μετασχηματιστή και το δευτερεύον τυλίγεται με στροφές γύρω του και συνδέεται με το φορτίο.

Η αρχή της δημιουργίας ενός CT πολλαπλών στροφών με δύο πυρήνες φαίνεται στα δεξιά. Εδώ λαμβάνονται δύο μετασχηματιστές μονής στροφής με τα δευτερεύοντα κυκλώματά τους και ένας ορισμένος αριθμός στροφών περιελίξεων ισχύος περνά μέσα από τα μαγνητικά τους κυκλώματα. Με αυτόν τον τρόπο, όχι μόνο αυξάνεται η ισχύς, αλλά αυξάνεται περαιτέρω ο αριθμός των συνδεδεμένων κυκλωμάτων εξόδου.

Αυτές οι τρεις αρχές μπορούν να αλλάξουν με διαφορετικούς τρόπους. Για παράδειγμα, η χρήση πολλών πανομοιότυπων πηνίων γύρω από ένα μόνο μαγνητικό κύκλωμα είναι ευρέως διαδεδομένη για τη δημιουργία χωριστών, ανεξάρτητων δευτερευόντων κυκλωμάτων που λειτουργούν αυτόνομα. Αυτοί ονομάζονται πυρήνες. Με αυτόν τον τρόπο, η προστασία διακοπτών ή γραμμών (μετασχηματιστές) με διαφορετικούς σκοπούς συνδέεται με τα κυκλώματα ρεύματος ενός μετασχηματιστή ρεύματος.

Συνδυασμένοι μετασχηματιστές ρεύματος με ισχυρό μαγνητικό κύκλωμα, που χρησιμοποιείται σε καταστάσεις έκτακτης ανάγκης εξοπλισμού και το συνηθισμένο, σχεδιασμένο για μετρήσεις σε ονομαστικές παραμέτρους δικτύου, λειτουργούν σε συσκευές εξοπλισμού ισχύος.Τα πηνία που τυλίγονται γύρω από τον οπλισμό χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία προστατευτικών συσκευών, ενώ τα συμβατικά πηνία χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση ρεύματος ή ισχύος/αντίστασης.

Ονομάζονται ως εξής:

• προστατευτικά πηνία με ένδειξη «P» (ρελέ).

• μέτρηση που υποδεικνύεται από τους αριθμούς της τάξης μετρολογικής ακρίβειας TT, για παράδειγμα «0,5».

Οι προστατευτικές περιελίξεις κατά την κανονική λειτουργία του μετασχηματιστή ρεύματος παρέχουν μέτρηση του πρωτογενούς διανύσματος ρεύματος με ακρίβεια 10%. Με αυτή την τιμή, ονομάζονται "δέκα τοις εκατό".

Λάθη μέτρησης

Η αρχή του προσδιορισμού της ακρίβειας του μετασχηματιστή σάς επιτρέπει να αξιολογήσετε το ισοδύναμο κύκλωμα που φαίνεται στη φωτογραφία. Σε αυτό, όλες οι τιμές των πρωτογενών ποσοτήτων μειώνονται υπό όρους σε δράση σε δευτερεύοντες βρόχους.

Το ισοδύναμο κύκλωμα περιγράφει όλες τις διεργασίες που λειτουργούν στις περιελίξεις, λαμβάνοντας υπόψη την ενέργεια που δαπανάται για τη μαγνήτιση του πυρήνα με ρεύμα I.

Το διανυσματικό διάγραμμα που χτίστηκε στη βάση του (τρίγωνο SB0) δείχνει ότι το ρεύμα I2 διαφέρει από τις τιμές του I'1 με την τιμή του I προς εμάς (μαγνήτιση).

Όσο μεγαλύτερες είναι αυτές οι αποκλίσεις, τόσο μικρότερη είναι η ακρίβεια του μετασχηματιστή ρεύματος. Για να ληφθούν υπόψη τα σφάλματα μέτρησης CT, εισάγονται οι ακόλουθες έννοιες:

• σχετικό σφάλμα ρεύματος εκφρασμένο ως ποσοστό.

• γωνιακό σφάλμα που υπολογίζεται από το μήκος τόξου AB σε ακτίνια.

Η απόλυτη τιμή της απόκλισης του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος διανύσματος ρεύματος προσδιορίζεται από το τμήμα AC.

Τα κοινά βιομηχανικά σχέδια μετασχηματιστών ρεύματος κατασκευάζονται για να λειτουργούν σε κατηγορίες ακρίβειας που ορίζονται από τα χαρακτηριστικά 0,2. 0,5; 1.0; 3 και 10%.

Πρακτική εφαρμογή μετασχηματιστών ρεύματος

Ένας διαφορετικός αριθμός μοντέλων τους συναντάμε τόσο σε μικρές ηλεκτρονικές συσκευές που βρίσκονται σε μικρή θήκη όσο και σε ενεργειακές συσκευές που καταλαμβάνουν σημαντικές διαστάσεις πολλών μέτρων και χωρίζονται ανάλογα με τα λειτουργικά χαρακτηριστικά.

Ταξινόμηση μετασχηματιστών ρεύματος

Κατόπιν συμφωνίας χωρίζονται σε:

• μέτρηση, μεταφορά ρευμάτων σε όργανα μέτρησης.
• προστατευμένο, συνδεδεμένο σε τρέχοντα προστατευτικά κυκλώματα.
• εργαστήριο, με υψηλή τάξη ακρίβειας.
• ενδιάμεσα που χρησιμοποιούνται για εκ νέου μετατροπή.

Όταν λειτουργούν εγκαταστάσεις, το TT χρησιμοποιείται:

• υπαίθρια εξωτερική εγκατάσταση?

• για κλειστές εγκαταστάσεις?

• ενσωματωμένος εξοπλισμός?

• από πάνω — τοποθετήστε το μανίκι.

• φορητό, επιτρέποντάς σας να κάνετε μετρήσεις σε διαφορετικά σημεία.

Με την τιμή της τάσης λειτουργίας του εξοπλισμού ΤΤ υπάρχουν:

• υψηλή τάση (πάνω από 1000 βολτ).

• για ονομαστικές τιμές τάσης έως 1 kilovolt.

Επίσης, οι μετασχηματιστές ρεύματος ταξινομούνται σύμφωνα με τη μέθοδο των μονωτικών υλικών, τον αριθμό των βημάτων μετασχηματισμού και άλλα χαρακτηριστικά.

Ολοκληρωμένες εργασίες

Οι εξωτερικοί μετασχηματιστές ρεύματος μέτρησης χρησιμοποιούνται για τη λειτουργία ηλεκτρικών κυκλωμάτων για τη μέτρηση της ηλεκτρικής ενέργειας, τις μετρήσεις και την προστασία γραμμών ή αυτομετασχηματιστών ισχύος.

Η παρακάτω φωτογραφία δείχνει τη θέση τους για κάθε φάση της γραμμής και την εγκατάσταση δευτερευόντων κυκλωμάτων στο τερματικό κουτί του διακόπτη 110 kV για τον αυτομετασχηματιστή ισχύος.

Οι ίδιες εργασίες εκτελούνται από μετασχηματιστές ρεύματος του εξωτερικού συστήματος διανομής-330 kV, αλλά λόγω της πολυπλοκότητας του εξοπλισμού υψηλότερης τάσης, έχουν πολύ μεγαλύτερες διαστάσεις.

Στον εξοπλισμό ισχύος, χρησιμοποιούνται συχνά ενσωματωμένα σχέδια μετασχηματιστών ρεύματος, τα οποία τοποθετούνται απευθείας στο περίβλημα του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής.

Έχουν δευτερεύουσες περιελίξεις με καλώδια τοποθετημένα γύρω από τον δακτύλιο υψηλής τάσης σε ένα σφραγισμένο περίβλημα. Τα καλώδια από τους σφιγκτήρες CT δρομολογούνται στα κουτιά ακροδεκτών που είναι συνδεδεμένα εδώ.

Οι εσωτερικοί μετασχηματιστές ρεύματος υψηλής τάσης χρησιμοποιούν συνήθως ειδικό λάδι μετασχηματιστή ως μονωτικό. Ένα παράδειγμα τέτοιου σχεδιασμού φαίνεται στη φωτογραφία για μετασχηματιστές ρεύματος της σειράς TFZM που έχουν σχεδιαστεί για λειτουργία στα 35 kV.

Μέχρι και 10 kV, στερεά διηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται για μόνωση μεταξύ των περιελίξεων στην κατασκευή του κιβωτίου.

Ένα παράδειγμα μετασχηματιστή ρεύματος TPL-10 που χρησιμοποιείται σε KRUN, κλειστούς διακόπτες και άλλους τύπους συσκευών διανομής.

Ένα παράδειγμα σύνδεσης του δευτερεύοντος κυκλώματος ρεύματος ενός από τους πυρήνες προστασίας REL 511 για έναν διακόπτη κυκλώματος 110 kV παρουσιάζεται με ένα απλοποιημένο διάγραμμα.

Σφάλματα μετασχηματιστή ρεύματος και πώς να τα βρείτε

Ένας μετασχηματιστής ρεύματος συνδεδεμένος σε φορτίο μπορεί να σπάσει την ηλεκτρική αντίσταση της μόνωσης των περιελίξεων ή την αγωγιμότητά τους υπό την επίδραση θερμικής υπερθέρμανσης, τυχαίων μηχανικών επιδράσεων ή λόγω κακής εγκατάστασης.

Στον λειτουργικό εξοπλισμό, η μόνωση καταστρέφεται συχνότερα, με αποτέλεσμα βραχυκύκλωμα των περιελίξεων με τη σειρά (μείωση της μεταδιδόμενης ισχύος) ή την εμφάνιση ρευμάτων διαρροής μέσω τυχαία δημιουργούμενων κυκλωμάτων βραχυκυκλώματος.

Προκειμένου να εντοπιστούν οι θέσεις κακής ποιότητας εγκατάστασης του κυκλώματος ισχύος, πραγματοποιούνται περιοδικά επιθεωρήσεις του κυκλώματος εργασίας με θερμικές συσκευές απεικόνισης.Με βάση αυτά, τα ελαττώματα των σπασμένων επαφών αφαιρούνται αμέσως, μειώνεται η υπερθέρμανση του εξοπλισμού.

Η απουσία κλεισίματος από στροφή σε στροφή ελέγχεται από τους ειδικούς των εργαστηρίων προστασίας ρελέ και αυτοματισμού:

• λαμβάνοντας το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

• φόρτιση του μετασχηματιστή από εξωτερική πηγή.

• μετρήσεις των κύριων παραμέτρων στο σχήμα εργασίας.

Αναλύουν επίσης την τιμή του συντελεστή μετασχηματισμού.

Σε όλες τις εργασίες, η αναλογία μεταξύ του πρωτογενούς και του δευτερεύοντος διανύσματος ρεύματος υπολογίζεται κατά μέγεθος. Οι αποκλίσεις γωνίας τους δεν πραγματοποιούνται λόγω της έλλειψης συσκευών μέτρησης φάσης υψηλής ακρίβειας που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των μετασχηματιστών ρεύματος σε μετρολογικά εργαστήρια.

Οι δοκιμές υψηλής τάσης διηλεκτρικών ιδιοτήτων ανατίθενται στους ειδικούς του εργαστηρίου σέρβις μόνωσης.