Transformátory prúdu: konštrukcia, princíp činnosti a typy

Transformátory prúdu sa v modernej energetike široko používajú ako zariadenia na zmenu rôznych elektrických parametrov pri zachovaní ich základných hodnôt. Fungovanie zariadenia je založené na zákone indukcie, ktorý sa vzťahuje na magnetické a elektrické polia, ktoré sa menia sínusoidálne. Transformátor transformuje hodnotu primárneho prúdu s ohľadom na moduláciu a uhlový prenos v pomere k nespracovaným údajom. Výber zariadenia sa musí uskutočniť na základe oblasti použitia a počtu pripojených spotrebiteľov.

Čo je to prúdový transformátor?

Používajú sa v priemysle, komunálnom a stavebnom inžinierstve, v priemysle a iných oblastiach na aplikáciu prúdu s definovanými fyzikálnymi parametrami. Napätie sa privádza na cievky primárneho vinutia, kde sa v dôsledku magnetického žiarenia vytvára striedavý prúd. Rovnaké žiarenie prechádza aj cez zvyšné cievky, vďaka čomu sa pohybujú EMF sily, a keď sú sekundárne cievky skratované alebo pripojené k elektrickému obvodu, v systéme sa objaví sekundárny prúd.

Moderné transformátory prúdu umožňujú premenu energie takým spôsobom, aby jej používanie nepoškodilo zariadenie, ktoré ju využíva. Umožňujú tiež merať vyššie zaťaženia s maximálnou bezpečnosťou pre stroje a personál, pretože primárne a sekundárne vinutie sú navzájom spoľahlivo izolované.

Na čo slúžia transformátory?

Je ľahké pochopiť, na čo je prúdový transformátor dobrý: jeho aplikácie pokrývajú všetky oblasti, v ktorých sa transformujú energetické hodnoty. Tieto zariadenia sú pomocné zariadenia, ktoré sa používajú paralelne s meracími prístrojmi a relé na vytvorenie obvodu striedavého prúdu. V týchto prípadoch transformátory premieňajú energiu, aby uľahčili dešifrovanie parametrov alebo pripojenie zariadení s rôznymi charakteristikami v tom istom obvode.

Existuje aj meracia funkcia transformátorov: používajú sa na prevádzku elektrických obvodov s vyšším napätím, ku ktorým je potrebné pripojiť meracie prístroje, ale nie je to možné urobiť priamo. Ich hlavnou funkciou je prenášať získané informácie o hodnotách prúdu do meracích prístrojov pripojených na sekundárne vinutie. Umožňuje tiež monitorovanie prúdu v obvode: keď sa použije relé a dosiahne sa maximálna hodnota prúdu, aktivuje sa ochrana, ktorá vypne zariadenie, aby sa zabránilo jeho vyhoreniu a poškodeniu personálu.

Princíp fungovania

Fungovanie tohto zariadenia je založené na zákone indukcie, podľa ktorého sa na primárne cievky privádza napätie a prúd prekonáva odpor vytvorený vinutím, čo spôsobuje prenos magnetického toku na magnetickú cievku. Tok je kolmý na prúd, čím sa minimalizujú straty, a pri prechode cez sekundárne vinutie sa aktivuje EMF. Tým sa v systéme indukuje prúd, ktorý je väčší ako odpor cievky, pričom napätie na výstupe sekundárnych cievok sa zníži.

Najjednoduchšia konštrukcia transformátora sa teda skladá z kovového jadra a dvojice vinutí, ktoré nie sú navzájom spojené a sú vyhotovené ako izolované vodiče. V niektorých prípadoch je zaťažené len primárne vinutie a nie sekundárne: ide o tzv. voľnobežný režim. Ak je k sekundárnemu vinutiu pripojené zariadenie, ktoré spotrebúva energiu, cez cievky preteká prúd a vzniká elektromotorická sila. EMF je určená počtom vinutí. Pomer elektromotorickej sily pre primárne a sekundárne závity je známy ako transformačný pomer, ktorý sa vypočíta z pomeru počtu závitov. Koncové napätie je možné regulovať zmenou počtu primárnych alebo sekundárnych závitov.

Klasifikácia transformátorov prúdu

Existuje niekoľko typov transformátorov prúdu, ktoré sa klasifikujú podľa viacerých kritérií vrátane účelu, spôsobu inštalácie, počtu prevodových stupňov a ďalších faktorov. Tieto parametre by sa mali zvážiť pred výberom prúdového transformátora:

• Účel. Používa sa na rozlíšenie medzi meracími, medziproduktovými a ochrannými modelmi. Medziľahlé transformátory sa používajú napríklad na pripojenie zariadení na výpočtové operácie v systémoch reléovej ochrany a iných obvodoch. Samostatné rozlišovacie laboratórne transformátory, ktoré poskytujú zvýšenú presnosť ukazovateľov, majú veľký počet prevodových koeficientov.
• Spôsob inštalácie. Existujú transformátory pre vonkajšiu a vnútornú inštaláciu: nielenže vyzerajú inak, ale majú aj rôzne ukazovatele odolnosti voči vonkajším vplyvom (napríklad zariadenia na vonkajšie použitie majú ochranu proti zrážkam a teplotným výkyvom). Rozlišuje sa tiež medzi transformátormi na podložke a prenosnými transformátormi; prenosné transformátory majú pomerne nízku hmotnosť a rozmery.
• Typ vinutia. Transformátory môžu byť jedno- a viacvoltové, s cievkou, jadrom alebo prípojnicou. Primárne aj sekundárne vinutie môže byť rôzne a izolácia (suchá, porcelánová, bakelitová, olejová, zmesová atď.) je tiež rôzna.
• Úroveň transformačných krokov. Zariadenie môže byť jednostupňové alebo dvojstupňové (kaskádové), limitné napätie 1000 V môže byť minimálne alebo maximálne.
• Dizajn. Podľa tohto kritéria existujú dva typy transformátorov prúdu - olejové a suché. V prvom prípade sa vinutie a magnetické jadro nachádzajú v nádobe obsahujúcej špeciálnu olejovú kvapalinu: plní úlohu izolácie a umožňuje reguláciu prevádzkovej teploty média. V druhom prípade je chladenie vzduchom a takéto systémy sa používajú v priemyselných a obytných budovách, pretože olejové transformátory nemožno inštalovať vo vnútri kvôli zvýšenému riziku požiaru.
• Typ napätia. Transformátory môžu byť znižujúce a zvyšujúce: v prvom prípade sa napätie na primárnom vinutí znižuje a v druhom prípade sa napätie zvyšuje.
• Ďalším spôsobom klasifikácie je výber prúdového transformátora podľa jeho kapacity. Tento parameter závisí od účelu zariadenia, počtu pripojených spotrebiteľov a ich vlastností.

Parametre a vlastnosti

Pri výbere takéhoto zariadenia je potrebné zvážiť hlavné technické parametre, ktoré ovplyvňujú rozsah použitia a náklady. Hlavné funkcie sú:

• Menovité zaťaženie alebo výkon: výber možno vykonať pomocou porovnávacej tabuľky charakteristík transformátora. Hodnota tohto parametra určuje ostatné hodnoty prúdu, pretože je prísne normalizovaná a slúži na definovanie správneho fungovania zariadenia vo zvolenej triede presnosti.
• Nominálny prúd. Táto hodnota určuje, ako dlho môže zariadenie fungovať bez prehriatia na kritické teploty. Transformátorové zariadenia majú zvyčajne značnú tepelnú rezervu a pri preťažení do 18-20 % fungujú normálne.
• Napätie. Táto hodnota je dôležitá pre kvalitu izolácie vinutia a zabezpečuje bezproblémové fungovanie stroja.
• Chyby. Tento jav je spôsobený magnetickým tokom; hodnota chyby je rozdiel medzi presným primárnym a sekundárnym prúdom. Zvýšený magnetický tok v jadre transformátora prispieva k úmernému zvýšeniu chyby.
• Transformačný pomer, ktorý je pomerom prúdu v primárnom vinutí k prúdu v sekundárnom vinutí. Skutočná hodnota koeficientu sa líši od nominálnej hodnoty o hodnotu rovnajúcu sa stupňu straty pri premene energie.
• Medzná násobnosť, vyjadrená ako pomer skutočného primárneho prúdu k menovitému prúdu.
• Násobnosť prúdu vyskytujúceho sa vo vinutí sekundárneho vinutia.

Kľúčové údaje o prúdovom transformátore sa určujú pomocou diagramu účinníka: ten umožňuje skúmať charakteristiky zariadenia v rôznych prevádzkových režimoch, od stavu bez zaťaženia až po plné zaťaženie.

Hlavné hodnoty sú vyznačené na tele prístroja pomocou špeciálneho označenia. Môže obsahovať aj informácie o spôsobe zdvíhania a inštalácie zariadenia, výstražné informácie o vysokom napätí na sekundárnych vinutiach (nad 350 V), informácie o prítomnosti uzemňovacej podložky. Prevodník energie je označený nálepkou alebo farbou.

Možné chyby

Tak ako každé iné zariadenie, aj transformátory z času na čas zlyhajú a vyžadujú si odbornú údržbu s diagnostikou. Pred kontrolou zariadenia je dôležité vedieť, aké poruchy sa vyskytujú a aké príznaky im zodpovedajú:

• Nerovnomerný hluk vo vnútri krytu, praskanie. Tento jav zvyčajne indikuje prerušenie uzemňovacieho prvku, prekrývanie puzdra zo závitov vinutia alebo uvoľnené lisovanie plechov slúžiacich ako magnetické jadro.
• Nadmerné zahrievanie krytu, zvýšený prúd na strane spotrebiča. Problém môže byť spôsobený skratmi vinutia v dôsledku opotrebovania alebo mechanického poškodenia izolačnej vrstvy, častým preťažením v dôsledku skratov.
• Prasknuté izolátory, kĺzavé výboje. Tie sa vyskytujú v prípade výrobných chýb, ktoré neboli zistené pred uvedením do prevádzky, pri páde cudzích telies a pri prekrývaní fázových vodičov s rôznymi hodnotami.
• Emisie oleja, pri ktorých sa zničí membrána výfukovej konštrukcie. Problém je spôsobený medzifázovým skratom spôsobeným opotrebovaním izolácie, poklesom hladiny oleja, poklesom napätia alebo výskytom nadprúdov, ktoré sú podmienené výskytom skratu od konca ku koncu.
• Úniky oleja spod tesnení alebo v kohútikoch transformátora. Hlavnými príčinami sú chybné zváranie komponentov, slabé tesnenia, zničené tesnenia alebo neotreté ventilové zátky.
• Aktivácia plynového ochranného relé. K tomuto javu dochádza pri rozklade oleja v dôsledku poruchy vinutia, rozpojeného obvodu, vyhorenia spínacích kontaktov alebo v prípade skratu na skrini transformátora.
• Vypnutie ochranného plynového relé. Problém spôsobuje aktívny rozklad olejovej kvapaliny v dôsledku medzifázovej poruchy, vnútorného alebo vonkajšieho prepätia alebo v dôsledku tzv.
• Vypnutá diferenciálna ochrana. K tejto poruche dochádza pri poruche v kryte napájača, pri prekrývaní fáz alebo v iných prípadoch.

Aby sa maximalizovala funkčnosť spotrebiča, mali by sa vykonávať pravidelné kontroly pomocou termokamery: zariadenie dokáže diagnostikovať zhoršenie kvality kontaktov a zníženie prevádzkovej teploty. Špecialisti vykonávajú počas overovania tento rozsah operácií:

• 1. Údaje o napätí a prúde.
  2. Overenie načítania pomocou externého zdroja.
  3. Určenie parametrov v prevádzkovom obvode.
  4. Výpočet transformačného pomeru, porovnanie a analýza hodnôt.

Výpočet transformátora

Základný princíp je definovaný vzorcom U1/U2=n1/n2, ktorého prvky sa dešifrujú takto:

• U1 a U2 sú napätia primárneho a sekundárneho závitu.
• n1 a n2 sú počty primárnych a sekundárnych vinutí.

Na určenie plochy prierezu jadra sa používa iný vzorec: S=1,15 * √PVýkon sa meria vo wattoch a plocha v centimetroch štvorcových. Ak má jadro použité v zariadení tvar písmena S, plocha prierezu sa vypočíta pre stredné jadro. Na určenie počtu závitov primárneho vinutia použite vzorec n=50*U1/S, Ak nie je komponent 50 nemenný, odporúča sa nahradiť ho komponentom 60, aby sa zabránilo vzniku elektromagnetického rušenia. Ďalší vzorec je d=0,8*√Ikde d je prierez vodiča a I je index intenzity prúdu, sa používa na výpočet priemeru kábla.

Vypočítané hodnoty sa zaokrúhľujú nahor (napr. vypočítaný výkon 37,5 W sa zaokrúhľuje nadol na 40). Zaokrúhľovanie je prípustné len smerom nahor. Všetky uvedené vzorce sa používajú pri výbere transformátorov pracujúcich v sieti 220 V; pri konštrukcii vysokofrekvenčných vedení sa používajú iné parametre a metódy výpočtu.

Súvisiace články: