Przekładniki prądowe: budowa, zasada działania i typy

Przekładniki prądowe są szeroko stosowane w nowoczesnej energetyce jako urządzenia do zmiany różnych parametrów elektrycznych przy zachowaniu ich podstawowych wartości. Działanie urządzenia jest oparte na prawie indukcji, które dotyczy pól magnetycznych i elektrycznych zmieniających się sinusoidalnie. Przekładnik przekształca wartość prądu pierwotnego z uwzględnieniem modulacji i transmisji kątowej proporcjonalnie do danych pierwotnych. Wybór urządzeń musi być dokonany na podstawie obszaru zastosowania i liczby podłączonych odbiorników.

Co to jest przekładnik prądowy?

Są one stosowane w przemyśle, inżynierii komunalnej i lądowej, przemyśle i innych dziedzinach w celu doprowadzenia prądu o określonych parametrach fizycznych. Napięcie jest przykładane do cewek uzwojenia pierwotnego, gdzie w wyniku promieniowania magnetycznego powstaje prąd zmienny. To samo promieniowanie przechodzi przez pozostałe cewki, dzięki czemu siły EMF przemieszczają się, a gdy cewki wtórne zostaną zwarte lub podłączone do obwodu elektrycznego, w układzie pojawia się prąd wtórny.

Nowoczesne przekładniki prądowe umożliwiają przekształcanie energii w taki sposób, aby jej użycie nie powodowało uszkodzeń urządzeń, które z niej korzystają. Umożliwiają one również pomiar większych obciążeń przy zachowaniu maksymalnego bezpieczeństwa maszyn i personelu, ponieważ uzwojenia pierwotne i wtórne są od siebie niezawodnie odizolowane.

Do czego służą transformatory?

Łatwo zauważyć, do czego nadaje się przekładnik prądowy: jego zastosowania obejmują wszystkie obszary, w których przekształcane są wartości energetyczne. Są to urządzenia pomocnicze, które są stosowane równolegle z przyrządami pomiarowymi i przekaźnikami w celu utworzenia obwodu prądu zmiennego. W takich przypadkach transformatory przekształcają energię w celu ułatwienia rozszyfrowania parametrów lub połączenia w tym samym obwodzie urządzeń o różnych charakterystykach.

Transformatory pełnią również funkcję pomiarową: służą do uruchamiania obwodów wysokiego napięcia, do których należy podłączyć urządzenia pomiarowe, ale nie można tego zrobić bezpośrednio. Ich główną funkcją jest przekazywanie uzyskanych informacji o wartościach prądu do przyrządów pomiarowych podłączonych do uzwojenia wtórnego. Umożliwia on również monitorowanie prądu w obwodzie: gdy przekaźnik jest używany i osiągnięta zostanie maksymalna wartość prądu, aktywowane jest zabezpieczenie, które wyłącza urządzenie, aby zapobiec jego spaleniu i uszkodzeniu personelu.

Zasada działania

Działanie tego urządzenia opiera się na prawie indukcji, zgodnie z którym do uzwojeń pierwotnych przykłada się napięcie, a prąd pokonuje opór wytwarzany przez uzwojenie, co powoduje przeniesienie strumienia magnetycznego do cewki magnetycznej. Strumień jest prostopadły do prądu, co minimalizuje straty, a gdy przechodzi przez uzwojenie wtórne, aktywuje się EMF. Powoduje to indukowanie w układzie prądu o wartości większej niż rezystancja cewki, a napięcie na wyjściu z cewek wtórnych ulega zmniejszeniu.

Najprostsza konstrukcja transformatora składa się więc z metalowego rdzenia i pary uzwojeń, które nie są ze sobą połączone i są wykonane jako izolowane druty. W niektórych przypadkach obciążenie jest przekazywane tylko do uzwojenia pierwotnego, a nie do wtórnego - jest to tak zwany tryb jałowy. Jeżeli do uzwojenia wtórnego podłączone są urządzenia zużywające energię, przez cewki przepływa prąd i powstaje siła elektromotoryczna. Współczynnik EMF zależy od liczby zwojów. Stosunek siły elektromotorycznej dla zwojów pierwotnego i wtórnego nazywany jest współczynnikiem przekształcenia, obliczanym na podstawie stosunku liczby zwojów. Napięcie końcowe można regulować poprzez zmianę liczby zwojów uzwojenia pierwotnego lub wtórnego.

Klasyfikacja przekładników prądowych

Istnieje kilka typów przekładników prądowych, które są klasyfikowane według różnych kryteriów, takich jak przeznaczenie, sposób instalacji, liczba stopni konwersji i inne czynniki. Parametry te należy wziąć pod uwagę przed wyborem przekładnika prądowego:

• Cel. Służy to do rozróżniania modeli pomiarowych, pośrednich i ochronnych. Na przykład transformatory pośrednie są stosowane do podłączania urządzeń do operacji obliczeniowych w przekaźnikowych systemach zabezpieczeń i innych obwodach. Oddzielnie rozróżniane transformatory laboratoryjne, które zapewniają większą dokładność wskaźników, mają dużą liczbę współczynników konwersji.
• Sposób instalacji. Istnieją transformatory przeznaczone do instalacji na zewnątrz i wewnątrz pomieszczeń: różnią się one nie tylko wyglądem, ale także mają różne wskaźniki odporności na wpływy zewnętrzne (na przykład urządzenia do użytku zewnętrznego mają zabezpieczenie przed opadami atmosferycznymi i wahaniami temperatury). Rozróżnia się również transformatory montowane na podstawach i przenośne; te ostatnie mają stosunkowo niewielką masę i wymiary.
• Typ uzwojenia. Transformatory mogą być jedno- i wielonapięciowe, cewkowe, rdzeniowe lub szynowe. Zarówno uzwojenie pierwotne, jak i wtórne mogą być różne, różna jest też izolacja (sucha, porcelanowa, bakelitowa, olejowa, złożona itp.
• Poziom etapów transformacji. Urządzenia mogą być jedno- lub dwustopniowe (kaskadowe), a wartość graniczna napięcia 1000 V może być minimalna lub maksymalna.
• Projekt. Według tego kryterium rozróżnia się dwa typy przekładników prądowych - olejowe i suche. W pierwszym przypadku uzwojenia i rdzeń magnetyczny znajdują się w naczyniu zawierającym specjalną oleistą ciecz: pełni ona rolę izolacji i umożliwia regulację temperatury roboczej czynnika. W drugim przypadku układ chłodzenia jest chłodzony powietrzem i takie systemy są stosowane w budynkach przemysłowych i mieszkalnych, ponieważ transformatory olejowe nie mogą być instalowane wewnątrz ze względu na zwiększone ryzyko pożaru.
• Typ napięcia. Transformatory mogą być step-down i step-up: w pierwszym przypadku napięcie na uzwojeniu pierwotnym jest zmniejszane, a w drugim - zwiększane.
• Innym sposobem klasyfikacji jest wybór przekładnika prądowego według jego pojemności. Parametr ten zależy od przeznaczenia urządzenia, liczby podłączonych odbiorników i ich właściwości.

Parametry i charakterystyka

Wybierając taki sprzęt, należy wziąć pod uwagę główne parametry techniczne wpływające na zakres zastosowań i koszt. Główne cechy to:

• Obciążenie nominalne lub moc: wyboru można dokonać, korzystając z tabeli porównawczej charakterystyk transformatorów. Wartość tego parametru decyduje o pozostałych wartościach znamionowych prądu, ponieważ jest ściśle znormalizowana i służy do określenia prawidłowego działania aparatury w wybranej klasie dokładności.
• Prąd znamionowy. Wartość ta określa, jak długo urządzenie może działać bez przegrzania do temperatury krytycznej. Urządzenia transformatorowe mają zwykle znaczną rezerwę cieplną i mogą pracować normalnie przy przeciążeniu do 18-20%.
• Napięcie. Wartość ta jest ważna dla jakości izolacji uzwojenia i zapewnia sprawne działanie maszyny.
• Błędy. Zjawisko to jest powodowane przez strumień magnetyczny; wartość błędu jest różnicą między dokładną wartością prądu pierwotnego i wtórnego. Zwiększony strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora przyczynia się do proporcjonalnego wzrostu błędu.
• Współczynnik transformacji, czyli stosunek prądu w uzwojeniu pierwotnym do prądu w uzwojeniu wtórnym. Rzeczywista wartość współczynnika różni się od nominalnej o wielkość równą stopniowi utraty konwersji energii.
• Krotność graniczna, wyrażona jako stosunek rzeczywistego prądu pierwotnego do prądu znamionowego.
• Krotność prądu występującego w uzwojeniach uzwojenia wtórnego.

Kluczowe dane dotyczące przekładnika prądowego są określane na wykresie współczynnika mocy: umożliwia to zbadanie charakterystyki urządzenia w różnych trybach pracy, od bez obciążenia do pełnego obciążenia.

Główne wartości są oznaczone na korpusie urządzenia za pomocą specjalnego oznaczenia. Może ona również zawierać informacje o sposobie podnoszenia i instalowania sprzętu, informacje ostrzegawcze o wysokich napięciach na uzwojeniach wtórnych (powyżej 350 V), informacje o obecności uziemnika. Przetwornik energii jest oznaczony naklejką lub farbą.

Możliwe usterki

Jak każde inne urządzenie, transformatory od czasu do czasu ulegają awarii i wymagają fachowej konserwacji wraz z diagnostyką. Przed sprawdzeniem urządzenia warto wiedzieć, jakie usterki występują i jakie znaki im odpowiadają:

• Nierównomierny hałas wewnątrz obudowy, trzaski. Zjawisko to zwykle wskazuje na przerwę w elemencie uziemiającym, nałożenie się na obudowę zwojów uzwojenia lub luźne sprasowanie blach stanowiących rdzeń magnetyczny.
• Nadmierne nagrzewanie się obudowy, zwiększone natężenie prądu po stronie odbiornika. Problem ten może być spowodowany zwarciami w uzwojeniach spowodowanymi zużyciem lub mechanicznym uszkodzeniem warstwy izolacyjnej, częstymi przeciążeniami wynikającymi ze zwarć.
• Pęknięte izolatory, wyładowania ślizgowe. Występują one w przypadku błędów produkcyjnych niewykrytych przed uruchomieniem, ciał obcych i nakładania się przewodów fazowych o różnych wartościach.
• Emisja oleju, podczas której dochodzi do pęknięcia membrany układu wydechowego. Przyczyną problemu są zwarcia międzyfazowe spowodowane zużyciem izolacji, spadkiem poziomu oleju, spadkiem napięcia lub wystąpieniem prądów przetężeniowych w przypadku zwarcia międzyfazowego.
• Olej wycieka spod uszczelek lub z kranów transformatora. Główne przyczyny to wadliwe spawanie elementów, słabe uszczelnienia, zniszczone uszczelki lub nienaprawione grzybki zaworów.
• Aktywacja przekaźnika ochrony przeciwgazowej. Zjawisko to występuje, gdy olej rozkłada się z powodu uszkodzenia uzwojenia, otwartego obwodu, wypalenia styków przełącznika lub w przypadku zwarcia do obudowy transformatora.
• Wyłączenie przekaźnika ochrony przeciwgazowej. Problemem jest aktywny rozkład cieczy olejowej w wyniku usterki międzyfazowej, wewnętrznego lub zewnętrznego przepięcia lub w wyniku tak zwanego "pożaru stali".
• Zadziałało zabezpieczenie różnicowe. Usterka ta występuje w przypadku uszkodzenia obudowy zasilacza, nakładania się faz lub w innych przypadkach.

Aby maksymalnie zwiększyć funkcjonalność urządzenia, należy przeprowadzać regularne kontrole za pomocą kamery termowizyjnej: sprzęt ten może zdiagnozować pogorszenie jakości styku i obniżenie temperatury roboczej. Podczas weryfikacji specjaliści wykonują następujący zakres czynności:

• 1. Odczyty napięcia i natężenia prądu.
  2. Weryfikacja obciążenia przy użyciu zewnętrznego źródła.
  3. Określenie parametrów w obwodzie roboczym.
  4. Obliczenie współczynnika przekształcenia, porównanie i analiza wartości.

Obliczanie transformatora

Podstawowa zasada jest określona wzorem U1/U2=n1/n2którego elementy rozszyfrowuje się w następujący sposób:

• U1 i U2 to napięcia na uzwojeniu pierwotnym i wtórnym.
• n1 i n2 to odpowiednio liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.

Do wyznaczenia pola przekroju poprzecznego rdzenia stosuje się inny wzór: S=1,15 * √PMoc jest mierzona w watach, a powierzchnia w centymetrach kwadratowych. Jeżeli rdzeń użyty w urządzeniu ma kształt litery S, pole przekroju poprzecznego oblicza się dla środkowego rdzenia. Aby określić liczbę zwojów w uzwojeniu poziomu podstawowego, należy skorzystać z wzoru n=50*U1/S, W przypadku gdy element 50 nie jest niezmienny, zaleca się zastąpienie go elementem 60, aby zapobiec występowaniu zakłóceń elektromagnetycznych. Inny wzór to d=0,8*√Igdzie d jest przekrojem poprzecznym przewodu, a I wskaźnikiem natężenia prądu, służy do obliczania średnicy kabla.

Obliczone wartości są zaokrąglane w górę (np. obliczona moc 37,5 W jest zaokrąglana w dół do 40). Zaokrąglanie jest dopuszczalne tylko w górę. Wszystkie powyższe wzory są stosowane do doboru transformatorów pracujących w sieci 220 V; przy budowie linii wysokiej częstotliwości stosuje się inne parametry i metody obliczeniowe.

Powiązane artykuły: