مبانی ترانسفورماتورهای جریان
ترانسفورماتورهای جریان (CT) را می‌توان برای نظارت و اندازه‌گیری جریان الکتریکی یا به‌عنوان مبدل کاهنده جریان برای کنتورها، رله‌ها، و تجهیزات کنترلی به کار برد. روند تبدیل جریان در CTها به این صورت است که با ایزوله کردن سمت اولیه (فشار‌قوی)، امکان نمونه‌گیری از جریان در سمت ثانویه فراهم می‌شود. دامنه جریان ثانویه به یک مقدار استاندارد قابل استفاده برای تجهیزات کنترلی کاهش یافته است. برای تعیین اینکه کدام CT برای یک کاربرد خاص مناسب است، درک ویژگی‌های زیر که برای طبقه‌بندی ترانسفورماتورهای جریان استفاده می‌شوند، مهم است.
برای یادگیری عملی اصول طراحی، اجرا و عیب‌یابی مدارهای برق صنعتی و نحوه به‌کارگیری CT در این مدارها می‌توانید در دوره برق صنعتی ماهر ثبت نام کنید.
نسبت تبدیل
نسبت تبدیل CT برابر با نسبت جریان ورودی اولیه به جریان خروجی ثانویه در بار کامل است. به عنوان مثال، یک CT با نسبت تبدیل ۳۰۰:۵ جریان ۳۰۰ آمپر را در بار نامی دریافت کرده و به ازای این مقدار جریانِ اولیه، جریان ۵ آمپر را در ثانویه تحویل می‌هد. اگر جریان اولیه تغییر کند، جریان ثانویه هم به همان نسبت تغییر می‌کند. به عنوان مثال، اگر ۱۵۰ آمپر در اولیه جریان داشته باشیم، خروجی جریان ثانویه ۲.۵ آمپر خواهد بود (۱۵۰:۳۰۰ = ۲.۵:۵).
پلاریته CT
پلاریته یا قطبیت، در یک CT با توجه به جهت پیچیده‌شدن سیم‌های به دور هسته ترانسفورماتور (ساعتگرد یا پادساعتگرد) و همچنین با در نظر گرفتن نحوه بیرون آمدن سیم‌ها از بدنه CT تعیین می‌شود. تمام ترانسفورماتورهای جریان دارای پلاریته موافق بوده و ترمینال‌هایشان با نام‌های زیر شناخته می‌شوند.
(H1) جریان اولیه، جهت رو به خط.
(H2) جریان اولیه، جهت رو به بار.
(X1) جریان ثانویه.
دو ترمینال اولیه H1 و H2 را در اولیه یک ترانسفورماتور تکفاز، تجسم کنید. اکنون دو ترمینال در ثانویه با نام‌های X1 و X2 در نظر بگیرید. اگر X1 بالا و X2 پایین باشد، پلاریته موافق داریم، یعنی جریان از H1 وارد شده و از X1 خارج می‌شود. اگر ترمینال X1 پایین و X2 بالا باشد، ترانسفورماتور دارای پلاریته مخالف است. توجه به رعایت پلاریته مناسب هنگام نصب و اتصال ترانسفورماتورهای جریان به تجهیزات اندازه‌گیری توان و رله‌های حفاظتی مهم است.
کلاس دقت CT
کلاس دقت در واقع دقت عملکرد یک CT در شرایط اعمال حداکثر بار مجاز روی ثانویه آن را توصیف می‌کند. شکل ۳ کلاس‌های دقت رایج برای CTها را نشان می‌دهد. بسته به کلاس دقت، CTها به دو دسته «CTهای مناسب برای اندازه‌گیری» و «CTهای مناسب برای رولیاژ» (CTهای حفاظتی) تقسیم می‌شوند. یک CT می‌تواند در یکی از این دو گروه یا هر دوی آنها حضور داشته باشد.
«CTهای اندازه‌گیری» برای بارهای استاندارد و مشخص، استفاده می‌شوند و طراحی آنها به گونه‌ای است که از دقت بالایی در سنجش جریان از کمترین مقدار تا حداکثر جریان CT برخوردار هستند. به دلیل دقت بالایی که این CTها دارند، معمولاً برای دادن نمونه جریان به کنتور برق مصرف‌کنندگان بزرگ به کار می‌روند.
«CTهای رولیاژ» به اندازه CTهای اندازه‌گیری دقیق نیستند. این دسته از CTها طوری طراحی شده‌اند که با دقت معقولی در محدوده وسیع‌تری از جریان کار می‌کنند و برای تامین جریان مورد نیاز رله‌های حفاظتی مناسب‌اند. این دامنه وسیع‌تر جریان، به رله حفاظتی اجازه می‌دهد تا در سطوح مختلف جریان اتصال کوتاه کار کند.
یکی از موارد کاربرد CTهای اندازه‌گیری در طراحی مدارهای بانک خازنی است. برای آشنایی با نحوه طراحی بانک خازنی می‌توانید مقاله محاسبه بانک خازنی را در وبسایت ماهر مطالعه کنید.
پلاک‌خوانی CT
کلاس دقت CT بر روی برچسب یا پلاک CT ذکر شده و شامل سه بخش است: نسبت تبدیل نامی، رتبه‌بندی کلاس و حداکثر بار (شکل ۴).
کلاس دقت نامی نسبت تبدیل، در واقع همان نسبت تبدیل نامی است که بر حسب درصد بیان می‌شود. به عنوان مثال، وقتی یک CT دارای کلاس دقت ۰.۳ باشد، این به آن معناست که شرکت سازنده تضمین می‌کند، دقت آن به‌ازای ۱۰۰ درصد جریان نامی، حداکثر ۰.۳ درصد با نسبت تبدیل نامی، اختلاف داشته باشد.
کلاس CT با یک حرف بیان می‌شود و نشانگر نوع کاربرد CT است. CTهای اندازه‌گیری با حرف B یا M مشخص می‌شوند. CTهای رولیاژ یا حفاظتی دارای چندین نام‌گذاری مختلف هستند که در زیر به آنها اشاره می‌شود:
CT :C دارای شار نشتی کم است (دقت را می‌توان قبل از ساخت محاسبه کرد.)
CT :T می‌تواند شار نشتی قابل توجهی داشته باشد. (دقت آن باید با آزمایش در کارخانه تعیین شود.)
H: دقت CT در کل محدوده جریان‌های ثانویه، ۵ تا ۲۰ برابر ظرفیت نامی CT است. (به طور معمول CTهای دارای اولیه سیم‌پیچی‌شده)
L: دقت CT در حداکثر بار ثانویه نامی در ۲۰ برابر جریان نامی تضمین می‌شود. دقت نسبت تبدیل CT می‌تواند تا چهار برابر بیشتر از مقدار ذکر شده باشد، بسته به بار متصل و جریان اتصال کوتاه.
پارامتر سوم در کلاس دقت CT، حداکثر بار مجاز (Burden) برای CT است. این مقدار در واقع برابر با میزان باری است که اگر به ثانویه یک ترانسفورماتور اعمال شود، خطایی بیشتر از کلاس دقت تعیین‌شده به‌وجود نمی‌آید. بار CTهای اندازه‌گیری به صورت امپدانس اهمی بیان می‌شود، در حالی که برای CTهای حفاظتی، آن را با ولت‌آمپر (VA) است. بارگذاری مجاز CT حفاظتی در شرایطی که حداکثر ولتاژ ثانویه مجاز، به ازای ۲۰ برابر جریان نامی CT از مدار ثانویه عبور کند، تعیین می‌شود (۱۰۰ آمپر برای یک CT با ثانویه ۵ آمپر نامی).
محاسبه بار CT شامل مراحل زیر است (شکل ۵)
۱- ابتدا بار دستگاه متصل به CT را بر حسب اهم یا VA تعیین کنید. (با توجه به برگه اطلاعات دستگاه.)
۲- امپدانس یا توان تلفاتی سیم ثانویه را اضافه کنید. طول سیم بین ترانسفورماتور جریان و بار (به عنوان مثال دستگاه اندازه‌گیری، رله و غیره) را اندازه‌گیری کنید. برای تعیین مقاومت سیم‌هایی که ثانویه ترانسفورماتور جریان را به دستگاه متصل می‌کنند (برحسب اهم یا ولت‌آمپر)، به جدول ۱ رجوع کنید.
۳- اطمینان حاصل کنید که جمع کل بار از محدوده‌های تعیین‌شده برای CT فراتر نرود.
نمونه‌هایی از محاسبات بارگذاری CT
CT اندازه‌گیری: دقت یک CT اندازه‌گیری با مشخصات 0.3B0.1 اگر امپدانس بار ثانویه از ۰.۱ اهم تجاوز نکند، برابر ۰.۳ درصد بار متصل‌شده به ثانویه است. اگر بار ثانویه از ۸ اهم تجاوز نکند، یک CT اندازه‌گیری با مشخصات 0.6B8 دارای دقت اندازه‌گیری ۰.۶ درصد است.
CT حفاظتی (رله‌ای): یک CT حفاظتی با مشخصات 2.5C100 در صورتی که دارای بار ثانویه کمتر از ۱ اهم باشد (100V/1000A)، دارای دقت ۲.۵ درصد است.
۱- باید توجه داشت که اگر بار تعیین‌شده برای CT برابر با ۸ ولت‌آمپر باشد، کل بار متصل‌شده به ثانویه نمی‌تواند از ۰.۳۲ اهم بیشتر شود. این مقدار، شامل مقاومت سیم‌های ثانویه و مقاومت بار متصل‌شده (مانند دستگاه اندازه‌گیری تابلویی یا دستگاه مانیتورینگ سیستم قدرت) نیز می‌شود.
۲- طول هادی برابر با کل طول سیم به‌کاررفته برای رفت و برگشت به سمت CT است. با تقسیم این مقدار بر دو، طول هادی به دست می‌آید.
۳- این مقاومت برای CTهای با خروجی ۵ آمپر است.
اتصال کوتاه ترانسفورماتور جریان
CTها باید در حین نصب اتصال کوتاه بمانند تا سیم‌کشی ثانویه کامل شود. شکل ۶ انتهای یک CT با چند نسبت تبدیل را در پایانه یک نوار اتصال کوتاه نشان می‌دهد.
یک پیچ مخصوص که روی شینه اتصال کوتاه بسته می‌شود، طرفین نوار زیر شینه را به هم اتصال می‌دهد. هر یک از بخش‌های سیم‌پیچ ثانویه که از این طریق اتصال کوتاه شود، به طور موثر کل ثانویه CT را اتصال کوتاه می‌کند.
هنگام نصب ترانسفورماتور جریان باید به نکات زیر توجه شود:
- قبل از نصب، وضعیت فیزیکی و مکانیکی CT مورد بررسی قرار گیرد تا تراز و محکم بسته شده باشد.
- قبل از نصب CT، تناسب آن با مدار متصل‌شده در ثانویه‌اش بررسی شود.
- فاصله بین CT هر یک از فازها، شینه زمین و هادی‌های متصل به ثانویه بررسی شود تا از نظر ایمنی به قدر کافی از هم فاصله داشته باشند.
- اگر از اولیه CT جریان عبور می‌کند ولی هنوز چیزی به ثانویه‌اش بسته نشده، اطمینان حاصل شود که اتصال کوتاه ثانویه CT به درستی انجام شده است. لازم به تذکر است در صورتی که ثانویه یک CT مدار باز باشد، یک ولتاژ بالای خطرناکی ایجاد می‌شود.
انتخاب نوع هسته ترانسفورماتور جریان
روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی وجود دارد، اما زمانی که نیاز به تکرار شکل موج جریان اولیه (با اعمال ضریب به اندازه آن) است، ترانسفورماتورهای جریان چنبره‌ای رایج‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش موجودند. هسته ترانسفورماتورهای جریان در انواع «یکپارچه» یا «قابل بازوبست» ساخته می‌شوند. هنگامی که از ترانسفورماتور جریان با هسته‌های قابل بازوبست استفاده شود، می‌توان ترانسفورماتور جریان را حتی بعد از مونتاژ شینه‌ها، روی آنها نصب کرد.
در ترانسفورماتورهای جریان از نوع ™ProteCT، الزام به اتصال کوتاه ثانویه وجود ندارد و حتی اگر ثانویه آنها باز باشد، ولتاژ بسیار پایینی در آن تولید می‌شود. اما اشکال این نوع CT در آن است که وسیله اندازه‌گیری متصل به آن (مانند کنتور یا آمپرمتر) باید به گونه‌ای باشد که ولتاژ ورودی کوچک را هم بتواند بپذیرد. از طرفی نیازی به محاسبه بار در این نوع CT نیست، چرا که سیگنال خروجی را می‌توان در فاصله طولانی از محل اندازه‌گیری با خطایی جزئی قرائت کرد. سیم‌پیچ‌های ثانویه که از™ProteCT به بار اتصال می‌یابند باید به شکل یک زوج‌سیم به‌هم‌تابیده (Twisted pair) باشند.
جمع‌بندی
ترانسفورماتورهای جریان از اهمیت بالایی در شبکه‌های قدرت و سیستم‌های صنعتی برخوردار هستند. با توجه به نوع کاربرد، این ترانسفورماتورها به دو دسته «CTهای اندازه‌گیری» و «CTهای رولیاژ» تقسیم‌بندی می‌شوند. در استفاده از CTها باید نکات متعددی را در نظر داشت. نسبت تبدیل، پلاریته، کلاس دقت از جمله اینگونه موارد هستند. همچنین برخی از تنظیمات اولیه در ارتباط با اتصال کوتاه ترانسفورماتور جریان باید صورت گیرد. به‌علاوه، باید با توجه به کاربرد ترانس جریان در انتخاب هسته مناسب دقت کرد.
سوالات متداول
ثانویه ترانس جریان هرگز نباید بدون بار باشد.
CTهای نوع اندازه‌گیری دارای دقت عملکرد بسیار بالاتری نسبت به CTهای رولیاژ هستند.
تمام ترانسفورماتورهای جریان دارای پلاریته موافق هستند.
منبع
https://www.nktechnologies.com/wp-content/uploads/application-notes/Current_Transformer_White%20Paper_071415.pdf
