چگونه ترانسفورماتورهای جریان مانیتورینگ ایمن و دقیق سیستم قدرت را فعال می کنند؟

1. مقدمه ای بر ترانسفورماتورهای جریان

A ترانسفورماتور جریان(CT) یک ترانسفورماتور ابزار ضروری است که در سیستم‌های قدرت الکتریکی برای تبدیل جریان‌های اولیه بالا به جریان‌های ثانویه نسبتاً پایین‌تر و قابل اندازه‌گیری استفاده می‌شود[مرجع: 0]. این تبدیل، نظارت، اندازه‌گیری و حفاظت از خطوط برق فشار قوی را بدون قرار دادن اپراتورها یا ابزارها در معرض سطوح جریان خطرناک امکان‌پذیر می‌سازد[مرجع: 1]. با ایجاد ایزولاسیون الکتریکی بین مدار اولیه و دستگاه های اندازه گیری ثانویه،ترانسفورماتورهای جریانستون فقرات ابزار دقیق سیستم قدرت مدرن را تشکیل می دهند[مرجع: 2].

نقش اساسی الفترانسفورماتور جریانمقیاس کردن جریان های بزرگ - از چند آمپر تا ده ها هزار آمپر - به مقادیر ثانویه استاندارد شده مانند 5 A یا 1 A است که با رله ها، مترها و ابزارهای دیجیتال سازگار است [مرجع: 3] [مرجع: 4]. این قابلیت پوسته پوسته شدن، همراه با ایزولاسیون گالوانیکی، باعث می شودترانسفورماتور جریانضروری در پست های برق، تاسیسات صنعتی، و تاسیسات انرژی های تجدید پذیر [مرجع: 5].

ویژگی های کلیدی که کیفیت بالا را تعریف می کندترانسفورماتور جریانشامل دقت، خطی بودن، پایداری حرارتی و یکپارچگی عایق می شود[مرجع:6]. اینترانسفورماتور جریانباید عملکرد مشخص شده خود را هم در شرایط بار عادی و هم در شرایط خطا حفظ کند [مرجع: 7].

2. اصل کار ترانسفورماتورهای جریان

ترانسفورماتورهای جریانبر اساس اصل القای الکترومغناطیسی، که توسط قانون فارادی اداره می شود، عمل می کنند. سیم پیچ اولیه - معمولاً یک گذر یا چند چرخش رسانای حامل جریان - به صورت سری به خط حامل جریان مورد اندازه گیری متصل می شود [مرجع: 10]. این جریان اولیه یک شار مغناطیسی متناوب در هسته ترانسفورماتور ایجاد می کند [مرجع: 11].

سیم پیچ ثانویه، متشکل از چرخش های زیادی که به دور یک هسته پیچیده می شود، این شار مغناطیسی در حال تغییر را قطع می کند و جریان ثانویه ای را القا می کند که متناسب با جریان اولیه است [مرجع: 12] [مرجع: 13]. نسبت جریان اولیه به جریان ثانویه با نسبت پیچ ها تعریف می شود و نسبت جریان نامی به صورت Kn = I1n / I2n نشان داده می شود [مرجع: 14]. به عنوان مثال، الفترانسفورماتور جریانبا نسبت 400:5 400 آمپر جریان اولیه را به 5 آمپر جریان ثانویه تبدیل می کند[مرجع: 15].

برخلاف ترانسفورماتورهای ولتاژ که تحت یک مدار ثانویه تقریباً باز عمل می کنند،ترانسفورماتورهای جریانباید مدار ثانویه بسته با امپدانس کم را در حین کار حفظ کند [مرجع: 16]. این به این دلیل است که جریان ثانویه یک شار مغناطیسی زدایی ایجاد می کند که با شار اولیه مخالف است و چگالی شار هسته را در محدوده عملیاتی ایمن نگه می دارد. اگر مدار ثانویه در حین جریان اولیه باز شود، اثر مغناطیس زدایی ناپدید می شود و باعث اشباع شدن هسته و تولید ولتاژهای خطرناک خطرناک می شود [مرجع: 17] [مرجع: 18].

مینیاتور یا درجه ابزارترانسفورماتورهای جریانخروجی‌های سطح میلی‌آمپر را برای کاربردهای آزمایشگاهی یا جمع‌آوری داده‌ها فراهم می‌کند و شکاف بین سیستم‌های پرقدرت و ابزارهای اندازه‌گیری حساس را پر می‌کند[مرجع: 19].

3. طبقه بندی ترانسفورماتورهای جریان

ترانسفورماتورهای جریانرا می توان در ابعاد مختلف، از جمله محیط عایق، روش نصب و هدف عملکردی طبقه بندی کرد. درک این طبقه بندی ها برای انتخاب CT مناسب برای یک برنامه خاص بسیار مهم است [مرجع: 20].

3.1 طبقه بندی بر اساس محیط عایق

• نوع خشکترانسفورماتور جریان:از مواد عایق معمولی آغشته به لاک استفاده می کند [مرجع: 21]. اینها جمع و جور، سازگار با تعمیر و نگهداری و مقاوم در برابر شعله هستند، و آنها را برای نصب در داخل ساختمان مناسب می کند [مرجع: 22].
• رزین ریخته گریترانسفورماتور جریان:قالب گیری شده با رزین اپوکسی یا سایر مخلوط های رزین [مرجع: 23]. این ساختار استحکام مکانیکی عالی، مقاومت در برابر رطوبت و خواص دی الکتریک را ارائه می دهد [مرجع: 24].
• غوطه ور در روغنترانسفورماتور جریان:عایق شده با کاغذ و روغن عایق [مرجع: 25]. معمولاً در کاربردهای خارج از منزل که در آن خنک کننده و عایق برتر مورد نیاز است استفاده می شود [مرجع: 26].
• عایق گازترانسفورماتور جریان:عایق اولیه از گاز (معمولاً SF6) تشکیل شده است [مرجع: 27]. اینها معمولاً در پستهای تابلو برق عایق شده با گاز (GIS) یافت می شوند [مرجع: 28].

3.2 طبقه بندی بر اساس روش نصب

• از طریق نوعترانسفورماتور جریان:طراحی شده برای عبور از پانل یا دیوار [مرجع: 29]. هادی اولیه از طریق یک دهانه مرکزی هدایت می شود.
• از نوع ستونیترانسفورماتور جریان:نصب شده بر روی یک صفحه یا ستون، به عنوان یک تکیه گاه رسانای مدار اولیه [مراجع: 30].
• نوع آستینترانسفورماتور جریان:مستقیماً بر روی یک بوش عایق بندی شده بدون هادی یا عایق اولیه اختصاص داده شده [مرجع: 31].
• باسبارترانسفورماتور جریان:مستقیماً روی یک شینه نصب می‌شود و خود شینه به عنوان هادی اولیه عمل می‌کند[مرجع: 32].

3.3 طبقه بندی بر اساس هدف عملکردی

• اندازه گیریترانسفورماتور جریان:برای دقت بالا در محدوده عملیاتی معمولی، معمولاً با کلاس هایی مانند 0.2، 0.5 یا 1.0 طراحی شده است [مرجع: 33].
• حفاظتترانسفورماتور جریان:مهندسی شده برای حفظ عملکرد در شرایط خطا، که اغلب با کلاس هایی مانند 5P10 یا 5P20 مشخص می شود [مرجع: 34].

4. نحوه انتخاب ترانسفورماتور جریان مناسب

انتخاب الفترانسفورماتور جریاننیاز به ارزیابی دقیق چندین پارامتر فنی دارد. عوامل زیر مهم هستند:

4.1 رتبه بندی جریان اولیه

CT باید برای حداکثر جریان اولیه پیوسته مدار، با حاشیه کافی برای شرایط اضافه بار درجه بندی شود. رتبه‌بندی اولیه استاندارد از 5 A تا بیش از 10000 A متغیر است[مرجع: 35].

4.2 رتبه بندی جریان ثانویه

رتبه‌بندی‌های ثانویه متداول 5 A و 1 A هستند [مرجع: 36]. A 1 A ثانویه اغلب برای کابل های طولانی ترجیح داده می شود زیرا بار و افت ولتاژ را کاهش می دهد [مرجع: 37].

4.3 کلاس دقت

کلاس دقت حداکثر خطای مجاز را در جریان نامی تعریف می کند[مرجع: 38]. برای کاربردهای اندازه گیری، کلاس های 0.2، 0.5 و 1.0 معمولی هستند. برای حفاظت، کلاس هایی مانند 5P10 (5٪ خطا در 10 برابر جریان نامی) رایج هستند [مرجع: 39].

4.4 رتبه بندی بار

بار، امپدانس کل مدار ثانویه است که در VA بیان شده است [مرجع: 40]. برای حفظ دقت، رتبه بار CT باید از بار متصل فراتر رود [مرجع: 41].

4.5 سطح عایق

عایق باید در برابر ولتاژ سیستم و هرگونه اضافه ولتاژ گذرا مقاومت کند. این تعیین می کند که آیا یک CT نوع خشک، رزین ریخته گری، غوطه ور در روغن، یا عایق گاز مناسب است یا خیر[مرجع: 42].

5. کاربردها در سیستم های قدرت

ترانسفورماتورهای جریانتقریباً در هر بخش از صنعت برق الکتریکی مستقر هستند. کاربردهای اولیه آنها به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

• اندازه گیری سیستم قدرت: ترانسفورماتورهای جریانسیگنال‌های جریان مقیاس‌شده را برای کنتورهای انرژی درجه درآمد ارائه می‌کند، که امکان ردیابی دقیق صورت‌حساب و مصرف را فراهم می‌کند[مرجع: 43].
• رله حفاظتی:CTها سیگنال‌های جریان را به رله‌های حفاظتی می‌رسانند که جریان اضافه، دیفرانسیل، خطای زمین و سایر شرایط غیرعادی را تشخیص می‌دهند.
• نظارت و کنترل سیستم:CT ها اندازه گیری جریان بلادرنگ را برای سیستم های SCADA، مدیریت بار و تجزیه و تحلیل کیفیت توان امکان پذیر می کنند [مرجع: 46].

در پست های برق،ترانسفورماتورهای جریانبر روی فیدرهای ورودی، ترانسفورماتورها و خطوط خروجی نصب می شوند [مرجع: 47]. در محیط‌های صنعتی، جریان‌های موتور، بارهای فرآیند و منابع تولید پراکنده را نظارت می‌کنند[مرجع: 48]. سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر - از جمله مزارع خورشیدی و توربین‌های بادی - متکی هستندترانسفورماتورهای جریانبرای اتصال به شبکه و نظارت بر عملکرد [مرجع: 49].

فراتر از سیستم های قدرت سنتی،ترانسفورماتورهای جریانهمچنین در:

• واحدهای توزیع برق مرکز داده (PDUs)
• زیرساخت شارژ وسایل نقلیه الکتریکی
• سیستم های مدیریت انرژی ساختمان
• سیستم های قدرت کششی راه آهن
• تاسیسات برق دریایی و دریایی

6. ترانسفورماتور جریان در مقابل ترانسفورماتور ولتاژ

در حالی که هر دوترانسفورماتورهای جریانو ترانسفورماتورهای ولتاژ (VTs) ترانسفورماتورهای ابزاری هستند که در سیستم های قدرت استفاده می شوند و عملکردهای متفاوتی را انجام می دهند [مرجع: 50].

تمایز اساسی این است که الفترانسفورماتور جریانبرای اندازه‌گیری جریان طراحی شده است و با یک مدار ثانویه بسته کار می‌کند، در حالی که یک ترانسفورماتور ولتاژ ولتاژ را اندازه‌گیری می‌کند و با یک مدار ثانویه تقریباً باز کار می‌کند [مرجع: 61]. این تفاوت روش‌های اتصال، ملاحظات ایمنی و حوزه‌های کاربردی مربوطه را دیکته می‌کند.

7. مسائل رایج و بهترین شیوه ها

ترانسفورماتورهای جریاندستگاه‌های قوی هستند، اما مستعد چندین حالت خرابی شناخته شده هستند. درک این مسائل برای طراحی و عملیات قابل اعتماد سیستم ضروری است.

7.1 مدار ثانویه باز

این بحرانی ترین خطر مرتبط با آن استترانسفورماتورهای جریان. اگر مدار ثانویه در حالی که جریان اولیه جریان دارد باز شود، اثر مغناطیسی زدایی جریان ثانویه از بین می رود [مرجع: 62]. چگالی شار هسته به طور چشمگیری افزایش می یابد، که منجر به اشباع شدید و تولید ولتاژهای خطرناک خطرناک می شود - به طور بالقوه صدها یا هزاران ولت [مرجع: 63] [مرجع: 64]. این می تواند باعث خرابی عایق، برق گرفتگی و آسیب به تجهیزات شود [مرجع: 65].

• همیشه ترمینال های ثانویه CT را قبل از برداشتن یا کار بر روی ابزار متصل کوتاه کنید [مرجع: 66].
• بلوک های اتصال کوتاه یا سوئیچ های تست را روی تمام مدارهای ثانویه CT نصب کنید.
• هرگز در مدارهای ثانویه CT به فیوزها یا کلیدهای جداکننده تکیه نکنید.

7.2 اشباع هسته

اشباع زمانی اتفاق می افتد که چگالی شار هسته از ناحیه خطی منحنی B-H بیشتر شود. این ممکن است به دلیل جریان اولیه بیش از حد (در هنگام خطا) یا اجزای افست DC اتفاق بیفتد [مرجع: 67]. اشباع شکل موج جریان ثانویه را مخدوش می کند و باعث خطاهای اندازه گیری و عملکرد نادرست احتمالی رله های حفاظتی می شود.

7.3 تخریب عایق

با گذشت زمان، مواد عایق ممکن است به دلیل تنش حرارتی، نفوذ رطوبت یا پیری الکتریکی تخریب شوند. آزمایش مقاومت عایق و بازرسی های بصری به طور منظم توصیه می شود [مرجع: 68].

7.4 بهترین روش ها برای نصب و راه اندازی

• تایید اطلاعات پلاک نام:تأیید کنید که نسبت، کلاس دقت، بار و سطح عایق CT با الزامات سیستم مطابقت دارد[مراجع:69].
• از زمین مناسب اطمینان حاصل کنید:مدار ثانویه باید به طور قابل اعتماد در یک نقطه به زمین متصل شود تا از ولتاژهای القایی خطرناک جلوگیری شود [مرجع: 70].
• انجام تست های تزریق اولیه:این تست‌ها نسبت و قطبیت CT را با تزریق یک جریان اولیه شناخته‌شده و اندازه‌گیری خروجی ثانویه تأیید می‌کنند [مرجع: ۷۱].
• سیم کشی و قطبیت را بررسی کنید:قطبیت نادرست می تواند باعث عملکرد نادرست رله دیفرانسیل و اندازه گیری نادرست توان شود [مرجع: 72].
• انجام تست های عایق:اندازه گیری مقاومت عایق بین سیم پیچ ها و زمین برای تشخیص تخریب [مرجع: 73].

8. سوالات متداول