Transformátory proudu: konstrukce, princip činnosti a typy

Transformátory proudu se v moderní energetice hojně používají jako zařízení pro změnu různých elektrických parametrů při zachování jejich základních hodnot. Fungování zařízení je založeno na indukčním zákonu, který platí pro magnetická a elektrická pole, která se mění sinusově. Transformátor transformuje hodnotu primárního proudu s ohledem na modulaci a úhlový přenos v poměru k výchozím datům. Výběr zařízení musí být proveden na základě oblasti použití a počtu připojených spotřebitelů.

Co je to proudový transformátor?

Používají se v průmyslu, komunálním a stavebním inženýrství, průmyslu a dalších oblastech k aplikaci proudu s definovanými fyzikálními parametry. Napětí se přivádí na cívky primárního vinutí, kde se v důsledku magnetického vyzařování vytváří střídavý proud. Stejné záření prochází i zbývajícími cívkami, díky čemuž se pohybují EMF síly, a když jsou sekundární cívky zkratovány nebo připojeny k elektrickému obvodu, objeví se v systému sekundární proud.

Moderní transformátory proudu umožňují přeměnit energii tak, aby její použití nepoškodilo zařízení, které ji využívá. Umožňují také měřit vyšší zatížení s maximální bezpečností pro stroje a personál, protože primární a sekundární vinutí jsou od sebe spolehlivě izolována.

K čemu slouží transformátory?

Je snadné pochopit, k čemu je transformátor proudu dobrý: jeho použití pokrývá všechny oblasti, ve kterých se transformují energetické hodnoty. Tato zařízení jsou pomocná zařízení, která se používají paralelně s měřicími přístroji a relé k vytvoření obvodu střídavého proudu. V těchto případech transformátory převádějí energii, aby usnadnily dešifrování parametrů nebo propojení zařízení s různými charakteristikami ve stejném obvodu.

Existuje také měřicí funkce transformátorů: používají se k vedení elektrických obvodů s vyšším napětím, ke kterým je třeba připojit měřicí přístroje, ale není to možné přímo. Jejich hlavní funkcí je přenášet informace o hodnotách proudu do měřicích přístrojů připojených k sekundárnímu vinutí. Umožňuje také sledování proudu v obvodu: při použití relé a dosažení maximální hodnoty proudu se aktivuje ochrana, která vypne zařízení, aby nedošlo k jeho vyhoření a poškození osob.

Princip činnosti

Fungování tohoto zařízení je založeno na zákonu indukce, kdy napětí vstupuje do primárního vinutí a proud překonává odpor vytvořený vinutím, což způsobuje přenos magnetického toku na magnetickou cívku. Tok je kolmý na proud, čímž se minimalizují ztráty, a při průchodu sekundárním vinutím se aktivuje EMF. Tím se v systému indukuje proud, který je větší než odpor cívky, a napětí na výstupním konci sekundárních cívek se sníží.

Nejjednodušší konstrukce transformátoru se tedy skládá z kovového jádra a dvojice vinutí, která nejsou vzájemně propojena a jsou provedena jako izolované vodiče. V některých případech jde zatížení pouze na primární vinutí a ne na sekundární: jedná se o tzv. volnoběžný režim. Pokud je k sekundárnímu vinutí připojeno zařízení odebírající energii, protéká cívkami proud a vzniká elektromotorická síla. EMP je určeno počtem vinutí. Poměr elektromotorické síly pro primární a sekundární závity se nazývá transformační poměr, který se vypočítá z poměru počtu závitů. Změnou počtu primárních nebo sekundárních závitů je možné regulovat koncové napětí.

Klasifikace transformátorů proudu

Existuje několik typů transformátorů proudu, které se dělí podle řady kritérií, včetně účelu, způsobu instalace, počtu převodních stupňů a dalších faktorů. Tyto parametry je třeba zvážit před výběrem proudového transformátoru:

• Účel. Slouží k rozlišení mezi měřicími, meziproduktovými a ochrannými modely. Mezilehlé transformátory se používají například pro připojení zařízení pro výpočetní operace v systémech reléové ochrany a dalších obvodech. Samostatné rozlišovací laboratorní transformátory, které zajišťují zvýšenou přesnost ukazatelů, mají velký počet převodních koeficientů.
• Způsob instalace. Existují transformátory pro venkovní a vnitřní instalaci: nejenže vypadají jinak, ale mají také různé ukazatele odolnosti vůči vnějším vlivům (například zařízení pro venkovní použití mají ochranu proti srážkám a kolísání teploty). Rozlišují se také transformátory pro montáž na podložku a přenosné transformátory, které mají relativně nízkou hmotnost a rozměry.
• Typ vinutí. Transformátory mohou být jedno- i vícenapěťové, cívkové, jádrové nebo přípojnicové. Primární i sekundární vinutí se mohou lišit a liší se i izolace (suchá, porcelánová, bakelitová, olejová, směsná atd.).
• Úroveň transformačních kroků. Zařízení může být jednostupňové nebo dvoustupňové (kaskáda), mezní napětí 1000 V může být minimální nebo maximální.
• Design. Podle tohoto kritéria existují dva typy transformátorů proudu - olejové a suché. V prvním případě jsou vinutí a magnetické jádro v nádrži obsahující speciální olejovitou kapalinu: ta plní roli izolace a umožňuje regulovat provozní teplotu média. Ve druhém případě se jedná o chlazení vzduchem a tyto systémy se používají v průmyslových a obytných budovách, protože olejové transformátory nelze instalovat uvnitř kvůli zvýšenému riziku požáru.
• Typ napětí. Transformátory mohou být snižovací a zvyšovací: v prvním případě se napětí na primárním vinutí snižuje, zatímco ve druhém případě se napětí zvyšuje.
• Dalším způsobem klasifikace je výběr proudového transformátoru podle jeho příkonu. Tento parametr závisí na účelu zařízení, počtu připojených spotřebitelů a jejich vlastnostech.

Parametry a vlastnosti

Při výběru takového zařízení je třeba vzít v úvahu hlavní technické parametry ovlivňující rozsah použití a náklady. Mezi hlavní funkce patří:

• Jmenovitá zátěž nebo výkon: výběr lze provést pomocí srovnávací tabulky charakteristik transformátoru. Hodnota tohoto parametru určuje ostatní jmenovité proudy, protože je přísně regulována a slouží k definování normálního fungování zařízení ve zvolené třídě přesnosti.
• Jmenovitý proud. Tato hodnota určuje, jak dlouho může zařízení fungovat, aniž by se přehřálo na kritickou teplotu. Transformátorové zařízení má obvykle značnou tepelnou rezervu a při přetížení až o 18-20 % funguje normálně.
• Napětí. Tato hodnota je důležitá pro kvalitu izolace vinutí a zajišťuje bezproblémové fungování stroje.
• Chyby. Tento jev je způsoben magnetickým tokem; hodnota chyby je rozdíl mezi přesným primárním a sekundárním proudem. Zvýšený magnetický tok v jádře transformátoru přispívá k úměrnému zvýšení chyby.
• Transformační poměr, což je poměr proudu v primárním vinutí k proudu v sekundárním vinutí. Skutečná hodnota koeficientu se liší od jmenovité o hodnotu rovnající se stupni ztráty přeměny energie.
• Mezní násobnost, vyjádřená jako poměr skutečného primárního proudu ke jmenovitému proudu.
• Násobnost proudu, který se vyskytuje ve vinutí sekundárního vinutí.

Klíčové údaje o proudovém transformátoru jsou určeny diagramem účiníku: ten umožňuje zkoumat charakteristiky zařízení v různých provozních režimech, od chodu naprázdno až po plné zatížení.

Hlavní hodnoty jsou vyznačeny na těle přístroje pomocí speciálního označení. Může také obsahovat informace o způsobu zvedání a instalace zařízení, výstražné informace o vysokém napětí na sekundárním vinutí (nad 350 V), informace o přítomnosti uzemňovací podložky. Měnič energie je označen samolepkou nebo barvou.

Možné závady

Stejně jako u jiných zařízení dochází i u transformátorů čas od času k poruchám, které vyžadují odbornou údržbu s diagnostikou. Před kontrolou přístroje je důležité vědět, jaké závady se vyskytují a jaké příznaky jim odpovídají:

• Nerovnoměrný hluk uvnitř skříně, praskání. Tento jev obvykle indikuje přerušení uzemňovacího prvku, přesah krytu z vinutí nebo uvolněné lisování plechů sloužících jako magnetické jádro.
• Nadměrné zahřívání krytu, zvýšený proud na straně spotřebiče. Problém může být způsoben zkraty vinutí v důsledku opotřebení nebo mechanického poškození izolační vrstvy, častým přetížením v důsledku zkratů.
• Prasklé izolátory, klouzavé výboje. K tomu dochází v případě výrobních závad, které nebyly zjištěny před uvedením do provozu, v případě vniknutí cizích těles a překrývání fázových vodičů různých hodnot.
• Emise oleje, při kterých dojde k protržení membrány výfukové konstrukce. Problém se připisuje mezifázovému zkratu způsobenému opotřebením izolace, poklesem hladiny oleje, poklesem napětí nebo výskytem nadproudů v případě zkratu na konci.
• Únik oleje zpod těsnění nebo v odbočkách transformátoru. Hlavními příčinami jsou chybné svařování součástí, slabá těsnění, zničená těsnění nebo neopravené ventilové zátky.
• Aktivace relé ochrany proti plynu. K tomuto jevu dochází při rozkladu oleje v důsledku poruchy vinutí, rozpojeného obvodu, vyhoření spínacích kontaktů nebo v případě zkratu na skříni transformátoru.
• Vypnutí ochranného plynového relé. Problém způsobuje aktivní rozklad olejové kapaliny v důsledku mezifázové poruchy, vnitřního nebo vnějšího přepětí nebo v důsledku tzv. "ocelového požáru".
• Vypnutá diferenciální ochrana. K této poruše dochází při poruše v krytu napáječe, při překrývání fází nebo v jiných případech.

Pro maximální funkčnost spotřebiče je třeba provádět pravidelné kontroly pomocí termokamery: zařízení dokáže diagnostikovat zhoršení kvality kontaktů a snížení provozní teploty. Specialisté při ověřování provádějí následující řadu operací:

• 1. Údaje o napětí a proudu.
  2. Ověření načtení pomocí externího zdroje.
  3. Určení parametrů v provozním obvodu.
  4. Výpočet transformačního poměru, porovnání a analýza hodnot.

Výpočet transformátoru

Základní princip je definován vzorcem U1/U2=n1/n2, jejíž prvky se dešifrují takto:

• U1 a U2 jsou napětí primárního a sekundárního závitu.
• n1 a n2 jsou počty primárních a sekundárních vinutí.

K určení plochy průřezu jádra se používá jiný vzorec: S=1,15 * √PVýkon se měří ve wattech a plocha v centimetrech čtverečních. Pokud má jádro použité v zařízení tvar písmene S, vypočítá se plocha průřezu pro střední jádro. Pro určení počtu závitů primárního vinutí použijte vzorec n=50*U1/S, pokud součástka 50 není neměnná, doporučuje se nahradit ji součástkou 60, aby se zabránilo výskytu elektromagnetického rušení. Další vzorec je d=0,8*√Ikde d je průřez vodiče a I je index intenzity proudu, se používá pro výpočet průměru kabelu.

Vypočtené hodnoty se zaokrouhlují nahoru (např. vypočtený výkon 37,5 W se zaokrouhluje dolů na 40). Zaokrouhlování je přípustné pouze směrem nahoru. Všechny výše uvedené vzorce se používají pro výběr transformátorů pracujících v síti 220 V; při konstrukci vysokofrekvenčních vedení se používají jiné parametry a metody výpočtu.

Související články: