ملزومات ترانسفورماتور جریان (CT)

در این بخش قصد داریم شما را با ملزومات ترانسفورماتور جریان (CT) آشنا نماییم . با ما همراه باشید

جریان و ولتاژ در مدارهای برق

اگر ولتاژ یا جریان در یک مدار قدرت بیش از حد برای اتصالِ ابزارهای اندازه‌گیری یا رله به طور مستقیم، بزرگ باشد، این اتصال از طریق ترانسفورماتور ایجاد‌می‌شود. چنین ترانسفورماتورهای باید یک مقیاس کوچک تر از جریان یا ولتاژ ورودی را با دقت مورد انتظار ما برای اندازه‌گیری در تجهیز خاصی مانند رله یا دستگاه اندازه‌گیری تولید کند.

ترانسفورماتورهای جریان (سی‌تی CT) – انواع، ویژگی  و کاربردهایشان

 این کار با کارایی بالا ترانسفورماتور امکان‌پذیر‌است. در زمان تغییرات سریع و افزایش زیاد مقدار ورودی، شکل موج دیگر سینوسی نخواهد بود، بنابراین عملکرد ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری بسیار مهم‌است.

بسیاری از سیستم‌های حفاظتی باید در طول اختلال های گذرا در خروجی ترانسفورماتورهای اندازه‌گیری تحت شرایط وجود خطا در سیستم کار کنند. خطاها در خروجی ترانسفورماتور ممکن‌است عملکرد حفاظت را به تاخیر بیاندازد یا باعث ایجاد عملکرد غیر ضروری رله‌های حفاظتی شود.

بنابراین عملکرد چنین ترانسفورماتورهایی  باید به صورت تحلیلی مورد بررسی قرار گیرد .

———————————————————-

فهرست:

1. مدار معادل ساده ترانسفورماتور جریان
2. اتصالات ترانسفورماتور جریان (اولیه / ثانویه)
   1. خطاها
      1. خطای جریان یا نسبت
      2. خطا فاز(Phase Error)
   2. خطای کامپوزیت (مرکب)( Composite Error)
   3. محدودیت دقت جریان ترانسفورماتور جریان  حفاظتی
   4. ترانسفورماتور های جریان کلاس PX
   5. آرایش سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور جریان
      1. نوع اولیه بوشینگ یا نوار(Bushing or bar primary type)
      2. ترانسفورماتور جریان کور بالانس(Core-Balance Current Transformers)
      3. ترانس جریان جمع‌کننده(Summation Current Transformers)
      4. ترانسفورماتور جریان با فاصله هوایی (Air-gapped current transformers)
   6. آرایش سیم‌پیچ‌ها
      1. CT های با سایز بیش از اندازه (Over-Dimensioned CTs)
      2. CT های آنتی رمننس (Anti-Remanence CTs)
      3. ترانسفورماتور جریان خطی(Linear Current Transformers)
   7. امپدانس سیم‌پیچ ثانویه(Secondary Winding Impedance)
   8. جریان نامی ثانویه
   9. جریان نامی کوتاه مدت
   10. پاسخ گذرا یک ترانسفورماتور جریان
       1. اولیه جریان گذار
       2. شرایط عملی
   11. هارمونیک در زمان گذرا
   12. تست سیم‌پیچ‌ها

———————————————————-

1-مدار معادل یک ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور می‌تواند توسط مدار معادل شکل‌1 نمایش داده‌شود، جایی که تمام مقادیر به طرف ثانویه ارجاع‌می‌شود.

 شکل‌1 – مدار معادل ترانسفورماتور

هنگامی که ترانسفورماتور 1/1 نیست، این شرایط را می‌توان با برق دار کردن مدار معادل یک ترانسفورماتور ایده‌آل با نسبت تبدیل داده‌شده، اما بدون تلفات نمایش داد.

ترانسفورماتور‌های ولتاژ و جریان برای ولتاژ یا جریان نامی اولیه پایین به راحتی قابل تشخیص نیست. برای مقادیر نامی بالاتر، وجود تفاوت‌های ساختمانی معمول‌است. با این وجود تفاوت اصلی‌بین این دستگاه‌ها نحوه اتصال آنها به سیستم قدرت می‌باشد .

ترانسفورماتور ولتاژ بسیار شبیه ترانسفورماتورهای قدرت کوچک هستند و فقط در جزئیات طراحی برای کنترل  دقت نسبت تبدیل در محدوده مشخص‌شده با ترانسفورماتور‌های قدرت کوچک تفاوت دارد. در  ترانسفورماتورهای جریان سیم‌پیچ‌ها به صورت سری با مدار قدرت متصل می‌شود وهمچنین با امپدانس سیستم سری‌است..

پاسخ ترانسفورماتور   اساسا در این دو حالت عملکرد متفاوت‌است.

این مقاله فنی تمام جنبه‌های مهم ترانسفورماتورهای جریان را در اندازه‌گیری و حفاظت MV و HV توضیح می‌دهد.

ترانسفورماتورهای جریان (سی‌تی CT) – انواع، ویژگی  و کاربردهایشان

———————————————————-

2-اتصالات ترانسفورماتور جریان (اولیه / ثانویه)

سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور جریان با مدار قدرت به صورت سری متصل‌می‌شود و امپدانس نسبت به مدار قدرت قابل صرفنظر کردن‌است.

امپدانس سیستم قدرت جریان عبوری از طریق سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور جریان را کنترل می‌کند. این وضعیت را می‌توان با وارد کردن امپدانس بار نمایش داد، رجوع شود به نسبت تبدیل در اتصال ورودی شکل‌1 بالا.

این رویکرد در شکل‌2، با استفاده‌از مثال عددی از یک  300/5A CT که به یک سیستم قدرت 11 کیلو ولت اعمال شده‌است توسعه داده‌شده‌است. در نظر گرفته شده‌است که این سیستم دارای جریان (300 آمپر)‌است و CT بار 10VA را تغذیه می‌کند.

 شکل‌2 – استخراج مدار معادل ترانسفورماتور جریان

مطالعه مدار معادل نهایی شکل‌2 (c)، با در نظر گرفتن مقادیر معمول اجزای آن، تمام ویژگی‌های یک ترانسفورماتور جریان را نمایان می‌سازد.

می‌توان دید که:

1. در محدوده ی وسیعی تغييرات امپدانس بردن یا همان امپدانس بار (burden impedance) تاثیری روی جريان ثانويه ندارد
2. مدار ثانویه نباید در هنگام برق دار بودن مدار اولیه قطع باشد. EMF ثانویه القا‌شده تحت این شرایط به اندازه کافی بالا‌است تا باعث از بین رفتن عایق ترانسفورماتور جریان شود.
3. خطای نسبت و  زاویه فاز می‌تواند به راحتی اگر ویژگی‌های مغناطیسی و امپدانس بردن مشخص‌شود محاسبه شود.

———————————————————-

2.1 خطاها

نمودار برداری عمومی قابل‌استفاده برای ترانسفورماتور ولتاژ ( کلیک کنید تا ببینید ) می‌تواند با حذف جزئیات که درترانسفورماتورهای جریان مورد علاقه نیست ساده‌سازی شود. به شکل‌۳ نگاه کنید .

خطاها به دلیل   موازی کردن امپدانس بردن با امپدانس تحریک ایجاد می‌شود. این یک بخش کوچکی از جریان ورودی را برای تحریک هسته استفاده می‌کند،  و باعث  کاهش مقدار جریانی که به بردن یا بار می رسد می‌شود.

بنابراین،   Is = Ip − Ie

جایی که Ie  بستگی به Ze _، امپدانس تحریک و   EMF ثانویه دارد.  ، Es توسط معادله :

(Es = Is (Zs + Zb

که  :

• Zs = امپدانس خودی سیم‌پیچ ثانویه، که به طور کلی می‌تواند به عنوان جزء مقاومت Rs  در نظر گرفته‌شود    فقط
• Zb = امپدانس بار یا همان امپدانس بردن

 شکل‌3 – نمودار برداری برای ترانسفورماتور جریان (ارجاع‌شده به ثانویه)

 

2.1.1 خطا جریان یا نسبت

این خطا تفاوت بین اندازه Ip و Is‌است و برابر با مولفه  Ie_، که همفاز با  Is‌است می‌باشد.

2.1.2خطای فاز

خطای فاز توسط   Iq که  مولغه Ie   عمود بر Is‌است خطای فاز Φ می‌باشد.  .

مقادیر خطای جریان و خطای فاز بستگی به مقدار جابجایی فاز بین Is  و Ie دارد _،  اما نه خطای جریان و نه   خطای فاز می‌تواند بیش از خطای برداری Ie شود_. با یک بردن تقریبا القایی ، در نتیجه   Is   و   Ie   تقریبا هم فاز می‌شوند و خطای فاز کمی وجود  خواهد‌داشت و مولفه  تحریک تقریبا به طور کامل باعث خطای نسبت تبدیل‌می‌شود.

برای جبران این خطا معمولا تعداد دور ثانویه ۱ یا ۲ دور کاهش داده‌می‌شود.

به عنوان مثال، در CT   مطابق شکل‌2، بدترین خطا به دلیل استفاده‌از بردن القایی نامی  حدود 1.2٪ خواهد بود. اگر نسبت تبدیل نامی  2:120 باشد، حذف یک دور سیم‌پیچ از ثانویه، خروجی را 0.83٪   افزایش می‌دهد و خطای جریان کلی -0.37%  خواهد‌شد

برای بردن (بار) کمتر و یا بردن با ضریب توان دیگر،   خطا در جهت مثبت تا حداکثر مقدار   +0.7%   در بردن صفر تغییر می‌کند؛ راکتانس نشتی ثانویه ناچیز در نظر گرفته‌می‌شود.

 اصلاحی مربوط به خطای زاویه فاز را نمی‌توان اعمال کرد اما باید توجه کرد که خطای فاز برای بردن های راکتیو ملایم کم‌است .

2.2 خطای کامپوزیت یا ترکیبی (Composite Error)

این خطا در IEC 61869 1 و 2    به عنوان مقدار RMS  تفاوت بین جريان ايده‌آل ثانویه و جریان واقعی ثانویه تعریف شده‌است. این خطا شامل خطاهای جریان و فاز و   اثرات هارمونیک در جریان تحریک‌است.

دقت   کلاس اندازه‌گیری جریان ترانسفورماتور در جدول 1 و جدول 2 نشان داده‌شده‌است   .

 

جدول 1   – محدودیت خطای CT برای کلاسهای دقت 0.1 تا 1.0

جدول 2   – محدودیت خطاهای CT برای کلاس‌های دقت 3 و 5

 

ترانسفورماتور؛ ساختار؛ عملکرد؛ انواع کاربردها و محدودیت ها

———————————————————-

2.3 محدودیت دقت جریان ترانسفورماتور‌های جریان از نوع حفاظتی

تجهیزات حفاظتی برای پاسخ به شرایط خطا در نظر گرفته‌شده‌اند، و به همین دلیل باید در  مقدار جریان بالاتری از جریان نامی عملکرد صحیح داشته‌باشد

ترانسفورماتورهای جریان کلاس حفاظتی باید یک دقت منطقی را تا حد ممکن برای جریان‌های زیاد حفظ کنند. این مقدار به عنوان   ‘ محدودیت جریان دقت  accuracy limit current ‘ شناخته‌شده‌است و ممکن‌است در جریان ثانویه یا اولیه بیان شود.

نسبت محدودیت جریان دقت  به جریان نامی  به عنوان ” ضریب محدودیت دقت accuracy limit factor ” شناخته‌شده‌است. کلاس دقت ترانسفورماتور جریان حفاظتی   در جدول 3 نشان داده‌شده‌است.

جدول 3   – محدودیت خطای حفاظت CT برای کلاس 5P و 10P

CT

هرچند بار CT حفاظتی فقط چند VA در جریان نامی‌است  اما خروجی مورد نیاز از CT اگر ضریب محدودیت  دقت بالا باشد ممکن‌است قابل توجه باشد،. مثلا،   با ضریب محدودیت  دقت 30 و بار 10VA   CT ممکن‌است 9000VA را به مدار ثانویه عرضه کند.

به همین ترتیب، همان سی‌تی ممکن‌است نیاز به بردن بسیار بالا داشته‌باشد.

برای   حفاظت اضافه جریان و ارت فالت ، با رله ای که یک مقدار     VA  در یک تنظیم مصرف می‌کنند، رله ی خطای زمین الکترومکانیکی که در 10٪ تنظیم می‌شود، دارای 100 برابر امپدانس نسبت به رله اضافه  جریانی است که در 100٪ تنظیم شده‌است.

اگر چه اشباع عناصر رله تا حدودی این شرایط را بهتر می‌کنند، رله ارت فالت زمین بسیار شرایط بدی دارد ، و CT ممکن‌است خطای نسبت قابل توجهی در این مورد داشته‌باشد. بنابراین‌استفاده از جبران‌کننده‌های تعداد دور در این مورد فایده ای ندارد.

به طور کلی در این مورد ساده‌تر‌است که سیم‌پیچی  CT با همان مقدار نامی نسب انجام شود.

ترانسفورماتورهای جریان اغلب برای وظیفه دوگانه   اندازه‌گیری و حفاظت استفاده‌می‌شوند . پس آنها باید طبق یک کلاس انتخاب‌شده از جدول 1، جدول 2 و   جدول 3 سایز شوند

بار اعمال مجموع بار دستگاه اندازه‌گیری و بارهای رله است . جبران کننده تعداد دور ممکن‌است برای   بخش  اندازه‌گیری نیاز باشد. مقادیر نامی CT اندازه‌گیری    از لحاظ مقدار نامی بردن (بار) و کلاس طبقه‌بندی‌می‌شوند به عنوان مثال   کلاس 15VA Class 0.5 .

مقادیر نامی حفاظتی بر اساس مقدار نامی بردن، کلاس و ضریب محدودیت دقت بیان می‌شوند برای مثال، 10VA Class 10P10

خطای نسبت تبدیل و زاویه فاز در ترانس جریان(CT)

———————————————————-

2.4 ترانسفورماتور جریان کلاس PX

طبقه بندی جدول 3 فقط برای حفاظت اضافه جریان استفاده‌می‌شود   حفاظت کلاس PX در استاندارد IEC 61869 برای ترانسفورماتورهای جریان شبه-گذرا(quasi-transient) که قبلا تحت پوشش کلاسX  در استاندارد BS 7626،تعریف شده‌است و  معمولا با طرح های حفاظتی واحد استفاده‌می‌شود.

مطلب مرتبط: حفاظت واحد چیست؟

راهنمایی‌ها در ویژگی‌های کاربرد ترانسفورماتورهای جریان در حفاظت ارت فالت داده‌شده‌بود اما برای این و   برای اکثر کاربرد های دیگر حفاظتی  بهتر‌است  به طور مستقیم به حداکثر EMF مفید . که می‌توانید    از CT به دست بیاورید مراجه کنید.

در این زمینه، “نقطه زانو” از   منحنی تحریک به عنوان نقطه ی که در آن افزایش 10٪  e.mf  ثانویه نیاز به یک   افزایش جریان تحریک 50٪ دارد تعریف می‌شود .

شکل‌4 زیر را ببینید.

تعریف نقطه زانو منحنی تحریک

به طور کلی الزامات طراحی برای ترانسفورماتورهای جریان برای اهداف حفاظتی اغلب با نقطه زانو  EMF ، جریان تحریک در نقطه زانویی(یا نقاط دیگر )و مقاومت سیم‌پیچ ثانویه تعریف‌می‌شود.،

چنین   ترانسفورماتورهای جریانی کلاس PX تعریف می‌شوند.

———————————————————-

2.5 آرایش سیم‌پیچ‌ها

چندین آرایش سیم‌پیچ برای ترانسفورماتورهای جریان استفاده‌می‌شود. این آرایش‌ها در بخش‌های زیر توضیح داده‌شده‌است.

2.5.1 نوع سیم‌پیچی‌شده اولیه(Wound primary type)

این نوع سی‌تی از سیم‌پیچ‌های معمول از مس که دور هسته پیچیده‌شده‌اند تشکیل شده‌است. این نوع آرایش برای ترانسفورماتور‌های جریان کمکی(auxiliary) و برای بسیاری از ترانسفورماتورهای جریان با نسبت کم یا متوسط ​​مورد استفاده در مدارهای تابلو  تا ولتاژ 11kV استفاده‌می‌شود.

شکل‌5 – نوع سیم‌پیچی‌شده اولیه(Wound primary type) (نسبت کم، نوع سیم‌پیچی‌شده اولیه مناسب برای جریان‌های اولیه از 2.5A-100A  با خروجی‌های 5A. برای آمپرمترها، وات‌متر‌ها یا مبدل‌ها استفاده‌می‌شود.)

2.5.2  نوع اولیه بوشینگ یا نوار(Bushing or bar primary type)

بسیاری از ترانسفورماتورهای جریان دارای یک هسته ی حلقوی شکل هستند،   گاهی اوقات ازقالب‌های حلقوی ساخته‌شده‌اند، اما اغلب   متشکل از یک نوار تکی که به صورت محکم پیچیده شده‌اند. سیم‌پیچ توزیع‌شده ثانویه یک چنبره ایجاد می‌کند  که باید کل محور هسته را اشغال کند . یک شکاف کوچک بین سرهای شروع و پایان برای ایجاد عایق بین این دو سر در نظر گرفته‌می‌شود

چنین ترانسفورماتورهای جریان معمولا یک هادی تکی اولیه در مرکز دارند  که گاهی اوقات  به طور دائم در داخل CT با عایق‌های مربوطه ساخته‌می‌شود.

در موارد دیگر، بوشینگ یک مدار شکن  یا ترانسفورماتور قدرت برای این منظور استفاده‌می‌شود.

در مقدار کم جریان اولیه ممکن‌است به دست آوردن جریان کافی برای ایجاد خروجی  با  دقت مورد نظر دشوار باشد. این به خاطر‌است که  یک نیاز‌است که یک هسته بزرگ  مقدار فوران کافی فراهم کند تا   EMF ثانویه کافی را در تعداد کم دور‌ها القا کند و همچنین دور آمپر تحریک  مقدار زیادی از تعداد دور آمپر موجود اولیه را مصرف می‌کند

این اثر هنگامی که قطر هسته بزرگتر می‌شودتا روی یک بوشینگ EHV نصب شود شدید‌تر‌می‌شود.

ولتاژ نقطه زانویی ترانسفورماتور جریان کلاس PS

شکل‌6

ترانسفورماتور جریان با اولیه نواری (CT دارای تعداد دور اولیه یک و هادی سیم‌پیچ  اولیه که روی سی‌تی مشخص‌است.

———————————————————-

2.5.3 ترانسفورماتور جریان کور بالانس

نوع حلقه‌ای معمول‌ترین نوع ترانسفورماتور کوربالانس (CBCT) است. کابل از مرکز سی‌تی عبور می‌کند و به همین ترتیب سیم‌پیچ اولیه  شکل‌می‌گیرد.

ترانسفورماتور جریان کوربالانس (CBCT) برای ارائه حفاظت نشتی زمین در یک سیستم قدرت استفاده می‌شوند . به دلیل نوع عملکرد مورد نیاز این سی‌تی‌ها آنها از ترانسفورماتور‌های جریان  حفاظت و اندازه‌گیری نرمال متفاوت هستند   .

در شبکه‌های خنثی عایق‌شده یا جبران‌شده، جریان نشتی زمین کوچک‌است و به طور کلی بسیار کوچکتر از جریان بار نامی‌است.

چنین جریان نشتی زمینی  نباید  اجازه داده شود که برای مدت زمان طولانی وجود داشته‌باشد ، زیرا آنها سرانجام باعث ایجاد شکست  عایقی در فازهای سالم و بعد  از آن باعث ایجاد خطاهای  فاز به فاز یا دو فاز به زمین می‌شوند.

حفاظت

برای حفاظت از مدارهای کابلی و خطوط انتقال هوایی با کابل ترانسفورماتور جریان کور بالانس معمولا استفاده می‌شود . به طور کلی، خوب‌است که   مانیتورینگ بر عایق   فقط برای نشان دادن وجود جریان نشت زمین، و نه برای قطع مدار به این نوع سیستم‌ها اضافه گردد. در صورت وجود خطا در چنین مواردی متخصصان مربوطه  اقدامات لازم را برای خارج کردن مدار‌های خطا دار می‌توانند انجام دهند.

استثنا در این مورد، معادن ذغال سنگ ، معادن سنگ معدن، و بارهای مشابه که در آن، با توجه به ملاحظات ایمنی،   سیستم حفاظتی طوری طراحی شده‌است که در صورت وقوع نشتی ارت مدار قطع می گردد(به علت نیاز به ملاحظات ایمنی اضافه ولتاژ در اثر خطا و ایجاد خطر برای کارکنان در معدن)

CBCT‌ها با یک هسته و یک سیم‌پیچ ثانویه ساخته می‌شوند. تعداد دورهای ثانویه لازم نیست مرتبط با جریان نامی فیدر یا کابل باشد چون جريان ثانويه‌ای، در حالت تعادل  از این سی‌تی عبور نمی‌کند

این اجازه می‌دهد تا تعداد دور سیم‌پیچ ثانویه طوری انتخاب شود تا جریان پیکاپ  بهینه شده‌ای را انتخاب و ایجاد کرد . انتخاب نسبت باید به تولید‌کننده واگذار شود تا بهترین نسبت تبدیل را انتخاب کند.

 CBCT‌ها با رله مناسب برای اهداف حفاظت از نشتی زمین استفاده‌می‌شود. یک  CBCT   3 فاز، کابل 3 هسته یا 3 کابل تک هسته را محاصره می‌کند.

شکل‌7

سیم‌کشی کور بالانس: ترانسفورماتور جریان کوربالانس امکان اندازه‌گیری جریان‌های باقی مانده (جریان نشت زمین) را فراهم می‌کند. این جریان از طریق ترانسفورماتور چمبره‌ای قرار داده‌شده در اطراف 3 فاز + خنثی یا فاز + خنثی (بسته به نوع شبکه ) و یا در اتصال زمین اندازه‌گیری‌می‌شود. مجموع برداری این جریان‌ها زمانی که هیچ خطایی وجود ندارد صفر‌است.   زمانی که یک جریان نشتی زمین وجود داشته باشد این تعادل جریان از بین‌می‌رود

و در این زمان، مجموع برداری جریان دیگر صفر نیست و این تفاوت توسط کوربالانس اندازه‌گیری‌می‌شود.

در شرایط سالم، یعنی زمانی که هیچ جریان نشتی زمین وجود ندارد، ثانویه CBCT هیچ جریانی را حمل نمی‌کند، و فوران مغنتاطیسی در هسته وجود ندارد.

در صورت که یک نشتی زمین اتفاق بی افتد، جريان نامتعادل یک فوران در هسته CBCT ایجاد می‌کند   و جریان ایجاد شده از طریق سیم‌پیچ ثانویه، باعث عملکرد  رله حفاظتی‌می‌شود . اگر بیش از یک کابل سه فاز به صورت موازی استفاده‌شده‌باشد، توصیه‌می‌شود که یک CBCT جداگانه بر روی هر کابل به یک رله مشترک  متصل شود یا رله ی جداگانه  برای هر CBCT استفاده شود.

———————————————————-

 

ترانسفورماتور اندازه‌گیری چیست؟ مزایا و انواع این ترانس‌ها

2.5.4 ترانسفورماتور جریان جمع‌کننده(Summation Current Transformers)

آرایش جمع‌کننده یک آرایش سیم‌پیچ‌ست که در یک رله اندازه‌گیری یا در ترانسفورماتور جریان کمکی استفاده‌می‌شود تا یک سیگنال خروجی تک فاز که یک رابطه خاص به ورودی جریان سه فاز دارا می‌باشد را ایجاد کند.

ترانسفورماتور جریان جمع‌کننده زمانی که جریان ها در  تعدادی از فیدرها نیازی به اندازه‌گیری مجزا ندارند   اما برای یک دستگاه اندازه‌گیری به صورت جمع شده نیاز‌است را ایجاد می‌کنند و آن را به دستگاه مورد نظر تحویل می‌دهند.  CT جمع‌کننده شامل دو یا چند سیم‌پیچ اولیه‌است که به فیدر های که جریان آنها باید جمع شود و یک سیم‌پیچ ثانویه تکی که جریان را متناسب با جمع‌شده جریان‌های اصلی را ایجاد می‌کند متصل می‌شوند.

یک نسبت معمول 5+5+5/ 5A خواهد بود ، به این معنی‌است که سه فیدر اصلی 5 باید به یک مجموع  5A تکی تبدیل شود.

شکل 8 – ترانسفورماتور جریان جمع‌کننده

2.5.5 ترانسفورماتور جریان با فاصله هوایی (Air-gapped current transformers)

این نوع CT‌ها،  ترانسفورماتورهای جریان کمکی هستند که در آنها یک فاصله هوایی در هسته اضافه‌می‌شود تا یک ولتاژ در ثانویه متناسب با اندازه جریان در سیم‌پیچ اولیه در خروجی ایجاد کند

گاهی اوقات این نوع ترانسفورماتور های جریان تحت عنوان ” transactors ”   و   ترانسفورماتور جریان یک چهارم کننده (quadrature current transformers)” نامیده می‌شوند ، این شکل از ترانسفورماتور جریان به عنوان یک جزء کمکی از سیم پایلوت طرح حفاظتی واحد  که در آن خروجی به چندین   مدارهای ثانویه باید متناسب با وسیع‌ترین طیف عملیاتی جریان ورودی خطی بماند استفاده‌می‌شود.

شکل‌9 – ترانسفورماتور جریان با فاصله هوایی

مطلب مرتبط: طرح‌های پایلوت برای حفاظت خطوط انتقال برق

———————————————————-

2.6 آرایش سیم‌پیچ‌های CT

CT ها برای اندازه‌گیری جریان خط یکی از سه نوع زیر هستند.

2.6.1  CT ها با سایز بیش از اندازه (Over-Dimensioned CTs)

CT های بیش از اندازه قادر به   انتقال کامل جریان‌های خطای آفست بدون اعوجاج‌است . در نتیجه، آنها بسیار بزرگ هستند   و آنها  از خطاهای اندازه‌گیری ناشی از شار پایدار ایجاد شده در خطا معصون هستند  ، به عنوان مثال، وقفه در جریان‌های بزرگ خطا.

2.6.2 CT‌های آنتی رمننس (Anti-Remanence CTs)

این ترانسفورماتور یک نوع متقاوت از ترانسفورماتور جریان بیش از اندازه(Over-Dimensioned CTs)‌است و دارای شکاف کوچک در مدار مغناطیسی‌است و نتیجه این فاصله هوایی  کاهش شار پسماند ممکن از حدود 90٪ از   مقدار اشباع به حدود 10٪ می‌باشد. این فاصله (ها)ی هوایی کاملا کوچک‌است، به عنوان مثال 0.12 میلی متر مجموع، و بنابراین ویژگی تحریک  ترانسفورماتور جریان با حضور این فاصله هوایی به طور قابل توجهی تغییر نمی‌کند.

با این حال، در نتیجه کاهش شار پسماند هسته، هر گونه شار DC ناشی‌شده از عدم تقارن جریان اشباع هسته را محدود‌می‌کند

، خطاها در تبدیل جریان در مقایسه با هسته بدون فاصله هوایی به مقدار زیادی کاهش پید‌می‌کند.

ترانسفورماتورها جریان حفاظتی گذرا در IEC 61869-2 به عنوان انواع TPX، TPY و TPZ گنجانده‌شده و این‌ استانداد مشخصات راهنمایی خوبی برای کاربرد و استفاده این نوع ترانسفورماتور ها دارد.

 

2.6.3ترانسفورماتور جریان خطی

ترانسفورماتور جریان خطی دارای شکاف هوایی زیاد در حدود 7.5-10mm‌است.

همانطور که نام آن دلالت دارد با افزودن این شکاف در مدار مغناطیسی ،رفتار مغناطیسی ترانسفورماتور جریان تمایل به خطی شدن دارد.

با این حال، هدف از ایجاد مقاومت مغناطیسی بیشتر به مدار مغناطیسی کاهش راکتانس  مغناطیسی‌است. این به نوبه خود ثابت زمانی ثانویه را کاهش می‌دهد، در نتیجه فاکتور اور سایز کردن ترانسفورماتور برای تبدیل جریان را کاهش می‌دهد .

شکل 10 یک CT برای استفاده در سیستم‌های HV نشان می‌دهد.

———————————————————-

2.7 امپدانس سیم‌پیچ ثانویه

به عنوان یک CT حفاظتی ممکن‌است نیاز باشد مقدار زیادی  جریان ثانویه تحویل داده شود، مقاومت سیم‌پیچ ثانویه باید تا جایی که به صورت عملی ممکن‌است کاهش پیدا کند. راکتانس نشتی ثانویه نیز   رخ می‌دهد، به ویژه در ترانسفورماتور جریان نوع سیم‌پیچی شده اولیه  ، اگرچه اندازه‌گیری دقیق آن دشوار‌است.

طبیعت غیر خطی  مدار مغناطیسی ارزیابی دقیق  مقدار اهمی قطعی نشان دهنده راکتانس نشتی ثانویه را دشوار می‌کند.

با این حال، به طور معمول یک ترانسفورماتور جریان با وجود شرایط زیر از نوع راکتانس پايين‌است

1. هسته از نوع حلقوی  یک پارچه‌ست (شامل هسته سیم‌پیچی‌‌شده به صورت مارپیچی)
2. دور‌های سیم‌پیچ ثانویه به طور کامل در طول مدار مغناطیسی هسته توزیع شده‌اند.
3. هادی اولیه (ها) تقریبا از مرکز  هسته یا اگر از نوع سیم‌پیچی شده  باشد سیم‌پیچی اولیه تقریبا به طور مساوی در طول کل مدار مغناطیسی توزیع شده‌است.
4. سیم‌پیچ‌‎های  برابر کننده فوران (Flux equalizing windings) ، که در الزامات طراحی نصب شده‌است، شامل حداقل چهار کویل های متصل‌شده موازی‌است، و  به طور مساوی در طول   تمام مدار مغناطیسی هر سیم‌پیچ یک ربع را اشغال کرده‌است.

، هنگامی که یک ترانسفورماتور جریان با تمام الزامات فوق مطابقت ندارد،  باز هم  ممکن‌است ثابت شود که راکتانس کمی دارد . در این مورد برای اثبات کم بودن راکتانس، خطای کامپوزیت اندازه‌گیری‌شده با روش‌های پذیرفته‌شده، بیشتر از ضریب 1.3  نباید تجاوز کند و همچنین مقدار خطا به طور مستقیم از منحنی VI تحریک سیم‌پیچ ثانویه به دست می‌آید

———————————————————-

2.8 جریان نامی ثانویه

انتخاب جریان نامی ثانویه تا حد زیادی توسط بار سیم‌پیچ ثانویه و  نوع کاربری ترانسفورماتور جریان تعیین می‌شود.  جریان استاندارد CT 5A و 1A‌است.

بار در جریان نامی تحمیل شده توسط رله‌های عددی یا دیجیتال   یا ابزارها اندازه‌گیری تا حد زیادی مستقل از مقدار نامی جریان‌است. این به این دلیل‌است که سیم‌پیچ دستگاه باید یک مقدار  مشخصی دور آمپر در جریان نامی ایجاد کند، بنابراین    تعداد دور آن به صورت معکوس متناسب با جریان است، و امپدانس سیم‌پیچ با توان ۲ جریان نامی تغییر می‌کند.

با این حال،   رله الکترومکانیکی یا رله‌های ارت فالت استاتیک ممکن‌است دارای باری (بردن) باشد که با تپ‎‌های استفاده شده روی آن تغییر کند.

سیم‌های استفاده شده برای اتصال CT این ویژگی را ندارند، اگرچه، به طور معمول از یک سطح مقطع استاندارد بدون در نظر گرفتن مقدار نامی استفاده می‌شوند که صحیح نیست. جایی که سیم‌های اتصالات طولانی هستند، مقاومت آنها ممکن‌است قابل ملاحظه باشد و بار ناشی از آن با توان ۲ جریان نامی متناسب‎‎‌است.

مثال

برای مثال سیم یک CT 200 متر،   یک فاصله معمول در  تابلوهای EHV  فضای باز، می‌تواند یک مقاومت حلقه حدود 3 اهم داشته‎‌باشد.   اگر CT 5A باشد بار آن    75VA خواهد بود که باید به بار رله اضافه شود (با یک رله الکترومکانیکی 10VA یا رله دیجیتالی 1VA)، در مجموع   85VA در حالت رله الکترومکانیکی سی‌تی این مقدرا بار را تحمل کند

چنین بردنی  نیاز به CT بسیار بزرگ و گران دارد به خصوص اگر ضریب محدودیت دقت بالا نیز اعمال شود.

با یک CT  ثانویه 1VA ، بردن مورد نیاز سیم‌ها تا مقدار 3VA کاهش می‌یابد، به طوری که با همان بار رله مجموع بردن حداکثر 13VA می‌شود. این را می‌توان توسط CT با سایز نرمال تامین کرد، در نتیجه باعث صرفه جویی در اندازه، وزن و هزینه‌می‌شود.

از این رو CT‌های مدرن تمایل به سیم‌پیچ ثانویه با جریان نامی 1A دارند    با این حال، در صورتی که مقدار نامی اولیه بالا باشد، برای مثال بالای   2000A ،ممکن‌است یک CT با جریان نامی ثانویه بالاتر استفاده شود تا تعداد دور ثانویه محدود شود. در چنین وضعیتی جریان نامی  2A ، 5A یا، در موارد شدید، 20A ، ممکن‌است مورد‍‌استفاده قرا‌رگیرد.

———————————————————-

2.9 جریان نامی کوتاه مدت(Rated Short-Time Current)

یک ترانسفورماتور جریان در حالی که جریان  اتصال کوتاه در سیستم به وجود می آید اضافه بار‌می‌شود و به این جریان جریان نامی کوتاه مدت می گویند. زمانهای استانداردی   که CT باید قادر به تحمل جریان نامی کوتاه مدت(STC) باشد 0.25، 0.5، 1.0، 2.0 یا 3.0  ثانیه‌است .

یک CT با یک  جریان نامی کوتاه مدت خاص ، جریان کمتری برای مدت زمان طولانی متناسب با معکوس به   توان ۲ نسبت مقدار جریانها حمل‌می‌کند.

با این حال، بر عکس آن را نمی‌توان فرض کرد، و مقادیر جریان بزرگتر از STC   نامی برای هر دوره زمانی مجاز نمی‌باشد مگر اینکه توسط یک تست مقدار نامی قابلیت دینامیکی ثابت شود.

———————————————————-

2.10 پاسخ گذرا یک ترانسفورماتور جریان

هنگامی که دقت پاسخ در فواصل بسیار کوتاه مورد مطالعه قرار می‌گیرد، لازم‌است بررسی شود زمانی که   جریان اولیه به طور ناگهانی تغییر‌می‌کند چه اتفاقی می‌افتد

اثرات این پاسخ‌های گذرا مهم هستند، و برای اولین بار در ارتباط با  سیستم‌های حفاظتی مشاهده شد ، که به طور غیر ضروری زمانی که جریان‌های اتصال کوتاه ناگهانی به وجود می‌اید ممکن‌است رله‌ها عمل کنند

2.10.1 جریان اولیه گذرا

سیستم قدرت، با نادیده گیری مدار بار(بردن)، عمدتا القایی است   به طوری که زمانی که یک اتصال کوتاه رخ می‌دهد، جریان خطا که جریان می یابد به صورت زیر‌است:

که  :

• Ep  = پیک EMF سیستم.
• R  = مقاومت سیستم
• L = اندوکتانس سیستم
• β   = زاویه فاز اولیه تحت تأثیر فوری خطا
• α   = زاویه ضریب قدرت سیستم   = tan−1 ωL/R

نخستین معادله 6.1 نشان‌دهنده  جریان متناوب حالت پایدار‌است   ، در حالی که معادله دوم یک مقدار گذرا مسئول جابجایی شکل موج به صورت نامتقارن‌است.

ip  جریان پیک حالت پایدار‌است:

حداکثر گذرا زمانی اتفاق می‌افتد   sin (α − β)  و نه   شرایط دیگر باید مورد بررسی قرار گیرد.   بنابراین:

هنگامی که جریان از طریق سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور جریان عبور می‌کند، پاسخ را می‌توان از طریق جایگزین کردن CT با یک مدار معادل نشان داده‌شده در   شکل   2(b) بررسی کرد   .

همانطور که CT “ایده‌آل” هیچ تلفاتی ندارد ، تمام تابع را انتقال می‌دهد   و همه تجزیه و تحلیل های بیشتر را می‌توان از نظر مقادیر ثانویه معادل ( is  و   Is) انجام داد. یک راه حل ساده شده  با نادیده گرفتن جریان تحریک CT  به دست می آید.

شار ایجاد‌شده در یک اندوکتانس با انتگرال گرفتن  EMF در بازه زمانی زیر به دست می‌آید:

و در ادامه

برای مدار معادل CT ، ولتاژ در   مقاومت بار   Rb_.  افت می‌کند.  انتگرال گرفتن برای هر مولفه پیک شار حالت پایدار به وسیله ی فرمول زیر به دست می‌اید،

شار گذرا توسط فرمول زیر محاسبه می‌شود:

از این رو، نسبت شار گذرا به مقدار حالت پایدار  برابر‌است با:

 

 

جایی که X و R عبارتند از راکتانس سیستم اولیه و   مقادیر مقاومت.   هسته CT باید هر دو فوران را حمل کند، به طوری که:

 

 

عبارت   (1 + X / R)   “ضریب گذرا» (TF) نامیده می‌شود،   شار هسته ای با این ضریب در مدت زمان جریان نامتقارن گذرا افزایش می‌یابد   . از این می‌توان دید که   نسبت راکتانس به مقاومت سیستم قدرت یک ویژگی مهم در مطالعه رفتار رله‌هایی حفاظتی‌است

 از سوی دیگر،   L / R    زمان ثابت سیستم اولیه T‌است ، بنابراین  ضریب گذرا TF می‌تواند به صورت زیر نوشته‌شود:

 

 

دوباره،   fT   ثابت زمانی بیان شده در   سیکل a.c.  مقدار T ‘‌است به طوری که:

 

 

و در ادامه

این فرمول  ، هنگام ارزیابی یک جریان خطای ثبت و ضبط شده ، بسیار مفید‌است  ، زیرا ثابت بودن زمان در   سیکل‌ها را می‌توان به راحتی تخمین زد و به طور مستقیم به فاکتور گذرا منجر می‌شود

به عنوان مثال، یک سیستم ثابت زمانی سه سیکل در یک  ضریب گذرا (1+6π) یا 19.85 .  CT مورد نیاز‌است که تقریبا بیست برابر فوران ماکسیمم تولید‌شده در حالث ماندگار را اداره کند.

این   تئوری بالا برای ارائه یک دید کلی از مشکل کافی‌ست.

در این روش ساده   هیچ ولتاژ معکوسی برای دی مگنیتایزینگ (از بین بردن مغناطیس) CT اعمال نمی‌شود، به طوری که فوران به صورت نشان داده‌شده در  شکل 11 ایجاد می‌شود.

شکل 11- پاسخ یک CT با امپدانس شنت بی نهایت به جریان اولیه نامتقارن گذرا

 CT نیاز به یک جریان تحریک محدود برای حفظ شار‌است،   در نتیجه CT مغناطیسی‌شده باقی نمی ماند (با در نظر نگرفتن هیسترزیز) ، و به همین دلیل اثرات کامل را تنها می‌توان با  در نظر گرفتن اندوکتانس محدود CT  در محاسبات به دست آورد  

پاسخ ترانسفورماتور جریان به یک   جریان نامتقارن گذرا در شکل‌12 زیر نشان داده‌شده‌است.

شکل‌12 – پاسخ یک ترانسفورماتور جریان به یک جریان نامتقارن گذرا

اجازه دهید:

• is = جریان نامی ثانویه
• i’s = جریان خروجی واقعی ثانویه
• ie = جریان تحریک

سپس :

• is = ie + i’s

همچنین ،

که برای عبارت گذرا:

 

بنابراین

• T   = ثابت زمانی سیستم اولیه L / R
• T1  = ثابت زمانی مدار ثانویه CT Le/Rb
• I1 = جریان پیک ثانویه متناظر

2.10.2 شرایط عملی

شرایط عملی از  شرایط نظری به دلایل زیر متفاوت‌است:

دلیل # 1

نشت ثانویه یا   اندوکتانس‌بردن (بار) در نظر گرفته‌نشده‌است.

 این معمولا در مقایسه با Le  کوچک‌است. بنابراین تأثیر کمی بر ماکسیمم شار گذرا دارد

دلیل # 2

تلفات آهن در نظر گرفته‌نشده‌است.

 تلفات آهن  دارای اثر کاهش ثابت زمانی ثانویه‌است، اما  بسته‌به عبارت سینوسی و نمایی مقدار مقاومت معادل متغیر‌است   .

در نتیجه، نمی‌توان آن را در هیچ یک از تئوری‌های خطی ذکر کرد و تعیین رفتار رضایت بخش آن بسیار پیچیده‌است

دلیل # 3

نظریه بر اساس مشخصه تحریک خطی‌‌است .

این فقط تقریبا تا   نقطه زانو منحنی تحریک صادق‌است    .

یک راه حل دقیق  برای شرایط غیر خطی امکان‌پذیر نیست.

راه حل مورد نظر با جایگزین کردن   منحنی تحریک با چند خط ایجاد شده‌است .

سپس یک تجزیه و تحلیل خطی را می‌توان برای هر یک از این خط ها استفاده‌کرد.

نظریه فوق کافی است تا بینش خوبی را بدست بیاوریم و اجازه می‌دهد تا در بیشتر مسائل عملی تصمیم گیری کنیم

دلیل # 4

———————————————————-

اثر هیسترزیس 

جدا از از تلفات همانطور که در (دلیل شماره 2) در بالا مورد بحث‌شد، در نظر گرفته‌نشده‌است.

هیسترزیس باعث تغییر اندوکتانس برای ایجاد و کاهش  فوران‌می‌شود،  در نتیجه ثابت زمانی ثانویه متغیر‌است.

فوران نامتقارن زمانی که جریان تحریک برابر با مجموع جریان نامتقارن ورودی‌است  افزایش پیدا نمی‌کند

از آنجا که فراتر از این نقطه جریان خروجی، و از این رو   افت ولتاژ در طول مقاومت بار، منفی‌است.

اشباع

اشباع، نقطه برابری بین تحریک را ایجاد می‌کند و ورودی در سطح شاری پایین‌تر از شاری  که از تئوری خطی انتظار می‌رود اتفاق می‌افتد.

هنگامی که بخش نمایی CT را وارد اشباع می‌کند، اندوکتانس مغناطیس‌کننده کاهش پیدا می‌کند، و باعث افزایش در بخش متناوب ie   می‌شود_.

عکس‌13 – جریان معمول تحریک CT در زمان جریان ورودی نامتقارن گذرا

 شکل‌14 – اعوجاج در جریان ثانویه به دلیل اشباع

حضور شارهای باقیمانده باعث تغییر نقطه‌ی شروع گردش شار گذرا در ویژگی تحریک می‌شود .

———————————————————-

پسماند

پسماند قطب مشابه به گذرا، مقدار جریان متقارن ثابت زمانی داده‌شده را کاهش می‌دهد

 که سی‌تی می‌تواند بدون اشباع شدید جریان را تبدیل کند. برعکس، پسماند معکوس تا حد زیادی توانایی یک CT را برای تبدیل جریان گذرا را افزایش می‌دهد.

در عمل تغییر در اندوکتانس تحریک ناشی از انتقال مرکز نوسان شار به نقاط دیگر منحنی تحریک منجر به خطا می‌شود.

د که ممکن‌است بسیار زیاد باشد. تأثیر در نتایج اندازه‌گیری زیاد مهم نیست، اما برای تجهیزات حفاظت مورد نیاز برای عملکرد در شرایط خطا، اثر جدی‌تر‌است .           

جریان خروجی در طول اشباع گذرا کاهش می یابد، که ممکن‌است از عمل کردن رله‌ها در شرایط حیاطی جلوگیری کند اگر شرایط نزدیک به تنظیمات رله باشد.

 این نباید با مقدار RMS جریان اولیه به خاطر گذراهای نامتقارن که گاهی اوقات باعث خنثی‌شدن افزایش خطای نسبت می‌شود اشتباه گرفته‌شود .

در مورد حفاظت متعادل، در طول خطا ها، خطاهای چندین ترانسفورماتور جریان ممکن‌است متفاوت باشد و یک خروجی بدون تقارن تولید کند، که موجب عملیات ناخواسته رله می‌شود.

2.11 هارمونیک در دوره گذرا

هنگامی که نیاز‌است که یک CT، e.m.f. ثانویه بالایی در حالت دائمی ایجاد کند.

غیر خطی بودن امپدانس تحریک موجب اعوجاج  برخی از شکل موج های خروجی می‌شود .

علاوه بر جریان هارمونیک اصلی(جریان هارمونیک ۱)، چنین شکل موجی تنها شامل هارمونیک‌های فرد‌است .         

با این حال، زمانی که CT در یک جهت اشباع‌شده

و به طور همزمان در معرض یک مقدار کوچک a.c‌است مانند حالتی گذرا که در بالا بحث شد قرار می‌گیرد، خروجی هم شامل هارموینک های فرد و هم هارمونیک‌های زوج‌ست .

به طور معمول هارونیک های مرتبه کوچک تر بالاتارین دامنه‌ها را دارند و و هارمونیک دو و سه ممکن‌است بیشترین مقدار را داشته‌باشند.

این ممکن‌است رله‌هایی که حساس به هارمونیک هستند را تحت تاثیر قرار دهند 

2.12 تست سیم‌پیچ

تست در سایت بر روي ترانسفورماتورهاي جریان و دستگاه هايي که برقدار بودن آنها معمولا مورد نياز‌است.

ممكن است دشوار باشد عبور یک جریان مناسب از سیم‌پیچ‌های اولیه به دلیل مقیاس چنین جریانی و در بسیاری از موارد عدم  دسترسی به هادی‌های اولیه تست سی‌تی را مشکل می‌کند.

سیم‌پیچ اضافی را می‌توان برای آسان تر کردن چنین تست‌هایی اضافه کرد و این سیم‌پیچ‌ها معمولا در جریان نامی 10A هستند.

سیم‌پیچ آزمایشی ناگزیر فضای قابل توجهی را اشغال می‌کند و هزینه‌های سی‌تی بیشتر می‌شود.

———————————————————-

.Sources //

Network protection and automation guide by (ex) Alstom Grid, now General Electric

Core-balance current transformer by Loreme

Core-balance current transformer by Gilber and Maxwell transformers

Electric Power Substations Engineering By James C. Burke

 

مقاله زبان اصلی:

The Essentials Of Current Transformers In Power Circuits Theory and Practice