Az áramváltók belső felépítése és típusai

A mag: Minden áramtranszformátor szíve

A mágneses mag a teljesítményt leginkább meghatározó alkatrész az áramváltó belsejében. Ez az a közeg, amelyen keresztül az elsődleges vezetőből származó energia elektromágneses indukcióval a szekunder tekercsbe kerül. A mag alakja, anyaga és keresztmetszete meghatározza a kész készülék szinte minden teljesítményjellemzőjét.

Maggeometria

A legtöbb áramváltó mag toroid (gyűrű) alakban készül. Ez a zárt hurkú geometria biztosítja, hogy a mágneses fluxusus útja folytonos legyen, ami minimálisra csökkenti a fluxusszivárgást és hozzájárul a nagy pontossághoz. A toroid magok szabványosak a bevételi és védelmi osztályú műszerekben, mivel névleges áramerősség mellett nagyon alacsony fázisszöghibát adnak.

A nagy arányú vagy speciális alkalmazásokban használt tekercses típusú áramváltók esetében a magok téglalap alakú vagy C-alakú elrendezésben laminálhatók, szemcseorientált elektromos acélszalagokból összeállítva. Ezek a laminált magok lehetővé teszik a gyártó számára, hogy a keresztmetszeti területet pontosan a kívánt terheléshez és pontossági osztályhoz igazítsa.

Mágneses mag anyagok

A mágneses mag anyagának megválasztása közvetlenül szabályozza a transzformátor pontossági osztályát, telítési viselkedését és frekvencia-válaszát. Az alábbi táblázat összefoglalja a leggyakoribb lehetőségeket:

Az 50 Hz-es vagy 60 Hz-es szabványos teljesítmény-frekvencia méréseknél a CRGO szilíciumacél továbbra is a domináns választás, mivel kedvező egyensúlyt biztosít a költségek, a rendelkezésre állás és a mágneses teljesítmény között. A nikkel-vas ötvözetek a precíziós bevételmérő CT-k számára vannak fenntartva, ahol a hibákat széles terhelési tartományban 0,1%-on vagy 0,2%-on belül kell tartani.

Mag laminálása és szigetelése

Az örvényáram-veszteségek csökkentése érdekében a szilícium-acél magokat vékony, jellemzően 0,23–0,35 mm vastag csíkokra laminálják. Minden réteget vékony szigetelőréteggel vonnak be – általában foszfátos kezelést vagy szerves lakkot –, amely megakadályozza, hogy áram folyjon a rétegek között. A szorosabb laminálás és a vékonyabb csíkok csökkentik a veszteségeket és a hőfelhalmozódást tartós túlterhelés esetén.

Másodlagos tekercselés: Fluxus átalakítása mérhető jellé

A szekunder tekercs közvetlenül a magra van feltekerve, és felelős a kimenő áram előállításáért, amelyet a műszerek, a relék és a mérők mérnek. Ennek a tekercsnek a fizikai felépítése hatással van a pontosságra és a hőteljesítményre is.

Tekercselő vezeték és vezeték anyaga

Gyakorlatilag az összes szekunder tekercs zománcozott rézhuzalból van feltekercselve. A réz magas elektromos vezetőképességének, hajlékonyságának és jól érthető hőmérsékleti jellemzőinek kombinációja standard választássá teszi. Speciális könnyűszerkezetes kivitelekben alkalmanként alumíniumhuzalt használnak, bár nagyobb keresztmetszetekre van szükség az azonos ellenállási cél eléréséhez, és gondos lezárást igényel a korrózió elkerülése érdekében.

A huzalmérőt úgy választják ki, hogy megfeleljen a szekunder tekercs ellenállásának (gyakran Rct-nek nevezik – a szekunder tekercs ellenállásának). Az alacsonyabb Rct lehetővé teszi, hogy a rendelkezésre álló másodlagos EMF nagyobb része a külső teherhez kerüljön, ahelyett, hogy hőként belsőleg disszipálna. Ez közvetlenül befolyásolja a pontosságot alacsony terhelési szinteken.

Tekercselési technika és fordulatszám

A szekunder tekercs menetszáma határozza meg az átalakítási arányt a primer menetekkel kombinálva. Egy szabványos rúd- vagy ablaktípusú áramváltó esetében, ahol a primer egy áteresztő vezeték, a primer fordulatszám 1. A szekunder fordulatokat ezután a kívánt arány eléréséhez állítják be – például 200 fordulat 200:1 arány esetén egy 200 A/1 A-es transzformátorban.

A tekercsek egyenletesen vannak elosztva a toroid körül, hogy biztosítsák a kiegyensúlyozott magnetomotoros erőt és minimalizálják a szivárgási fluxust. Az egyenletesség különösen kritikus a nagy pontosságú tervezéseknél, ahol a tekercseloszlás kis aszimmetriái is mérhető fázisszöghibákat okozhatnak.

Szigetelés a rétegek között

A többrétegű tekercsek rétegek közötti szigetelést igényelnek, hogy megakadályozzák a feszültség letörését a különböző potenciálok menetei között. A gyakori rétegközi szigetelőanyagok a következők:

• Poliészter filmszalag (Mylar típusú) – alacsony és közepes feszültségű CT-kben használják a dielektromos szilárdság és a vékony profil egyensúlya érdekében
• Poliimid fólia (Kapton típusú) – 130°C-ot meghaladó üzemi hőmérséklet esetén, vagy ha nagyon vékony szigetelésre van szükség a feszültségállóság feláldozása nélkül
• Nomex papír – száraz típusú, magas hőmérsékletű környezetben használják, ahol a cellulóz alapú anyagok lebomlanak

Elsődleges vezetőelrendezések az áramtranszformátor-építésben

Az áramváltó primer oldala többféleképpen is elrendezhető, amelyek mindegyike más-más mechanikai felépítést eredményez. Ez az elsődleges alapja a CT-k fizikai tervezés szerinti osztályozásának.

Bar típusú áramtranszformátor felépítése

A rúd típusú áramváltó egy rögzített, gyárilag beszerelt primer vezetéket használ - jellemzően réz- vagy alumíniumrudat -, amely áthalad a toroid vagy téglalap alakú mag-tekercselő egység közepén. A mag és a szekunder tekercs e rúd köré van tokozva. Ez a konstrukció maximális mechanikai merevséget kínál, és előnyben részesítendő olyan kapcsoló- és gyűjtősín-berendezéseknél, ahol a primer áramerősség 400 A-tól több ezer amperig terjed.

Mivel a rúd gyárilag van beállítva, a rúd típusú CT-k nem terepen állíthatók. A névleges primer áramot a gyártáskor határozzák meg. Ezek azonban rendkívül stabilak a több évtizedes üzemelés során, mivel az elsődleges útvonalon nincsenek mechanikus kötések, amelyek meglazulhatnak vagy korrodálhatnak.

Ablaktípus Áramtranszformátor felépítése

Az ablak típusú CT-k, amelyeket néha gyűrűs típusú vagy fúvókás áramváltóknak neveznek, egy toroid magból állnak, amely a szekunder tekercssel van feltekerve, és egy központi nyílású házba van zárva. Az elsődleges vezetéket – bármilyen kábel vagy gyűjtősín viszi is a mért áramerősséggel – egyszerűen át kell vezetni ezen a nyíláson a telepítéskor. Nincs elektromos kapcsolat a CT teste és a primer vezető között; a transzformátor tisztán indukcióval működik.

Ez a kialakítás sokoldalú, mert egyetlen CT modell is felszerelhető különböző keresztmetszetű vezetékekre, mindaddig, amíg a vezeték fizikailag átfér az ablakon. Az ablak típusú CT-ket széles körben használják paneltáblákban, kábelfelügyeletben és meglévő berendezések utólagos felszerelésében.

Sebáram-transzformátor felépítése

Egy tekercses áramváltóban a primer tekercs egy vagy több szigetelt rézvezető menetéből áll, amely közvetlenül a magra van feltekerve a szekunder tekercs mellett. Ezt az elrendezést akkor használják, ha a primer áram viszonylag alacsony – jellemzően 100 A alatti –, és az egyáteresztő vezeték nem termelne elegendő fluxust a pontos méréshez.

Két, három vagy több elsődleges fordulat hozzáadásával az effektív átalakítási arány megsokszorozódik anélkül, hogy fizikailag nagyobb magra lenne szükség. Az 5 primer fordulattal és 1000 másodlagos fordulattal rendelkező tekercses CT effektív aránya 1000:5 vagy 200:1, és az 5-fordulatú primer nagyobb fluxust hajt meg ugyanazon a vonali áram mellett, mint egy egyrudas primer.

A tekercs típusú CT-k jellemzően drágábbak, mint a rúd- vagy ablaktípusok azonos névleges áramerősség mellett, mivel a további tekercselési folyamat több munkát igényel, és az elsődleges vezeték szigetelését a rendszer teljes vonal-vonal feszültségére kell méretezni.

Osztott magos áramváltó: felépítés és alkalmazások

A osztott magos áramváltó konkrét gyakorlati problémát old meg: hogyan lehet áramváltót szerelni olyan vezetőre, amely nem feszültségmentesíthető vagy leválasztható. A mágneses mag egy precíziós megmunkálású kötés mentén két félre van osztva. Egy zsanér- vagy reteszmechanizmus tartja zárva a feleket működés közben, és lehetővé teszi azok szétválasztását a telepítéshez.

Ha a magfelek nyitva vannak, a CT egy feszültség alatt álló kábel köré helyezhető. A zárás és reteszelés után a mágneses áramkör teljes, és az eszköz ugyanúgy működik, mint egy egyenértékű méretű tömör toroid CT.

A key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Az illeszkedő felületek precíziós megmunkálása 10 mikrométer alatti tűréshatárig
• Nagy áteresztőképességű maganyagok használata, amelyek jobban tűrik a kis maradék hézagokat
• Rugós reteszek, amelyek egyenletes szorítóerőt fejtenek ki, hogy a feleket szilárdan rögzítsék
• Nanokristályos vagy amorf maganyagok, amelyek enyhén tökéletlen zárás mellett is alacsonyabb hibát tartanak fenn

Az osztott magos CT-ket széles körben használják az energiaauditálásban, az épületek energiagazdálkodási rendszereiben, az utólag felszerelt teljesítmény-felügyeleti panelekben és minden olyan alkalmazásban, ahol a telepítést a felügyelt áramkör leállítása nélkül kell elvégezni. A maganyagtól és a fuga minőségétől függően az 1. osztálytól a 0.5 osztályig terjedő pontossági osztályokban kaphatók.

Toroidális áramváltó: Miért dominál a gyűrű alakja?

A toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

A toroidális mag mágneses hatékonysága

Mivel a mágneses fluxus teljes egészében a mag anyagában kering toroid alakú kialakításban, lényegében nem kerül ki fluxus a környező levegőbe. Ennek két gyakorlati következménye van. Először is, a működési fluxus létrehozásához szükséges mágnesező áram nagyon alacsony, ami közvetlenül csökkenti az arányhibát és a fáziseltolódást. Másodszor, a toroidális CT sokkal kevésbé érzékeny az elsődleges vezeték ablakon belüli helyzetére – ezt a tulajdonságot pozicionálási hibatűrésnek nevezik – a négyszögletes magos kialakításokhoz képest.

Egy jól megtervezett toroidális CT-ben az elsődleges vezetőnek az ablak közepéről a középponttól eltérő helyzetbe helyezése kevesebb, mint 0,05%-os további arányhibát okoz. A téglalap alakú CT-ben ugyanaz az elmozdulás 0,3%-ot meghaladó hibákat okozhat.

Toroid magok gyártása

Az áramváltók toroid magjait a célanyagtól függően három módszer egyikével gyártják:

1. Szalagra tekercselt magok — Szilíciumacélból, nikkel-vas ötvözetből vagy nanokristályos szalagból készült folytonos szalagot spirálban feltekernek egy tüske köré, majd hőkezelésnek vetik alá a tekercselés során fellépő mechanikai igénybevétel enyhítésére. Ezt a módszert a legmagasabb pontossági fokozatokhoz használják.
2. Halmozott laminált magok — Az egyes lyukasztott laminálásokat egymásra rakják és egymásba helyezik, hogy gyűrűt alkossanak, amelyet általában nagyobb átmérőjű magokhoz használnak, ahol a szalag tekercselése túlzott belső feszültséget okozna.
3. Porított vagy szinterezett ferrit magok — Nagyfrekvenciás alkalmazásokhoz használják; a ferritet toroid formába préselik és magas hőmérsékleten szinterelik.

Szigetelőrendszerek áramváltókban

A CT szigetelésnek egyidejűleg két funkciót kell ellátnia: le kell választani a nagyfeszültségű primer vezetőt a kisfeszültségű szekunder áramkörről, és meg kell védenie a tekercset és a mag szerelvényt a környezeti károsodástól. A választott szigetelési rendszer a névleges feszültségtől, a környezeti környezettől és az alkalmazás mechanikai követelményeitől függ.

Gyanta kapszulázás (epoxi vagy poliuretán öntés)

A majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• 3 kV/mm-t meghaladó dielektromos szilárdságot biztosít szabványos epoxirendszerekhez
• Megszünteti a nedvesség bejutását további tömítés nélkül
• Mechanikusan védi a magot és a tekercset a vibrációtól és az ütésektől
• Lehetővé teszi a külső test precíz méretszabályozását a panelre szereléshez

A vákuumnyomásos impregnálást (VPI) olyan nagyobb összeállításokhoz használják, ahol az öntés nem praktikus. A tekercset vákuum alatt gyantába merítik, hogy eltávolítsák a rekedt levegőt, majd nyomás alá helyezik, hogy a gyantát minden üregbe kényszerítsék a kikeményedés előtt.

Olajjal töltött szigetelés

A 36 kV feletti névleges nagyfeszültségű áramváltók jellemzően ásványolajat használnak elsődleges szigetelő- és hűtőközegként. A tekercsmagot és a másodlagos szerelvényt egy transzformátorminőségű ásványolajjal töltött, lezárt fémtartályba kell helyezni. A cellulózpapír szigetelés több rétegben van feltekercselve a primer vezető köré, megnövelve a hálózati feszültség elviseléséhez szükséges kúszási távolságot.

Az olajjal töltött CT-k szabványosak az átviteli alállomások 110 kV-os, 220 kV-os és 500 kV-os telepítéseinél. A rendszeres olajmintavétel és az oldott gáz elemzése lehetővé teszi a karbantartó csapatok számára, hogy a meghibásodások előtt észleljék a kezdődő szigetelésromlást.

Gázszigetelt áramváltók

Gázszigetelt kapcsolóberendezésekben (GIS) az áramváltókat a térinformatikai burkolatba integrálják, és kén-hexafluorid (SF6) gázt használnak szigetelő közegként. Ezek a CT-k ugyanolyan kompakt helyigényűek, mint a környező kapcsolóberendezések, és nem igényelnek folyadékkal kapcsolatos karbantartást, bár a tömített gázrendszer nyomását és tisztaságát ellenőrizni kell.

Száraz típusú és légszigetelt kivitelek

Ellenőrzött környezetben, körülbelül 36 kV-ig terjedő feszültségű beltéri telepítésekhez a szilárd szigetelőanyagokat (gyantakötésű üvegszál, öntött műgyanta vagy Nomex) használó száraz típusú CT-k alternatívát kínálnak az olajjal töltött kivitelekkel szemben. Könnyebbek, kiküszöbölik az olajszennyezés kockázatát, és egyszerűsítik a karbantartást, bár érzékenyebbek a páralecsapódásra és a szennyezésre, ha zord kültéri környezetben használják.

Áramváltók osztályozása építési típus szerint

A following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

Hogyan befolyásolja a belső felépítés a pontosságot és a teljesítményt

A megfelelő áramváltó kiválasztása nem pusztán az áramarány beállításán múlik. A belső felépítés határozza meg, hogyan viselkedik a CT a működési tartományában, a terhelés változása mellett, magas hőmérsékleten és harmonikusok jelenlétében.

Az arányhiba és eredete

Az arányhiba azért keletkezik, mert a mágnesező áram – a fluxus létrehozásához szükséges áram a magban – nem jelenik meg a szekunder kimenetben. Az összes mágnesező áramot a primer áramból veszik, de egyik sem éri el a terhelést. Minél nagyobb a mágnesező áram a primer áramhoz képest, annál nagyobb az arányhiba. A nikkel-vas és a nanokristályos magok nagyon nagy permeabilitásával sokkal kisebb mágnesező áramot igényelnek, mint a szilícium-acél magok, és ezért kisebb arányhibákat érnek el ugyanazon magkeresztmetszet mellett.

Fázis eltolási hiba

A fáziseltolódás a primer áramfázis és a szekunder áramfázis közötti szögkülönbség, ívpercben mérve (irányra fordítva). A fáziseltolódás különösen fontos a teljesítménytényező és az energia mérésénél, mert már egy kis szöghiba is koszinuszfüggő hibát okoz a wattóra számításokban. A 10 perces fáziseltolódás 0,5-ös teljesítménytényező mellett körülbelül 0,5%-os energiamérési hibát eredményezhet.

Teher és hatása a pontosságra

A secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Harmonikus teljesítmény

Változtatható sebességű hajtásrendszerekben, ívkemencékben és adatközponti energiarendszerekben az elsődleges áram jelentős harmonikus tartalmat tartalmaz – gyakran az 5., 7., 11. és 13. harmonikuson. A szabványos szilícium-acél magok növekvő veszteséget és fázisszög-torzulást mutatnak harmonikus frekvenciákon. A nanokristályos és amorf magok, amelyek lapos permeabilitási görbéje több kilohertzig terjed, lényegesen jobb pontosságot biztosítanak a torz hullámformákon, és az A osztályú energiaminőség-elemzők számára az előnyben részesített választás.

Külső ház és szerelési konfigurációk

A enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Panelre szerelhető öntött tokház

A mérőpanelekhez használt kisfeszültségű CT-ket szinte általánosan üvegszál-erősítésű poliészter (GRP) vagy polikarbonát házakban gyártják, amelyeket fröccsöntéssel alakítanak ki az öntöttgyanta mag-szerelvény körül. A ház szerelősarukkal vagy DIN-sín kapcsokkal, a várható kimeneti áramra méretezett szekunder sorkapcsokkal és polaritásjelölésekkel (P1/P2 primer, S1/S2 szekunder) az IEC szabványoknak megfelelően.

Persely típusú áramváltók

A perselyes CT-k gyűrű alakú szerelvények, amelyeket arra terveztek, hogy átcsúszjanak a teljesítménytranszformátor vagy megszakító porcelán vagy polimer perselyén. Nincs saját lakásuk; ehelyett a persely pereme és a transzformátor tartály fedele közé vannak szorítva. A perselyes CT-k a legkompaktabb kialakítások közé tartoznak, mivel maga a persely biztosítja a primer vezetőt és a feszültségleválasztást.

Kültéri porcelán és polimer szigetelt minták

A közép- és nagyfeszültségű kültéri áramtranszformátorok porcelán vagy szilikongumi kompozit szigetelőkamrákkal zárt szerelvényekben vannak elhelyezve. A fészerprofilt úgy tervezték, hogy megfelelő kúszótávolságot tartson fenn szennyezett körülmények között – az IEC szabvány enyhén szennyezett környezet esetén minimum 16 mm/kV, erősen szennyezett helyeken pedig legfeljebb 31 mm/kV kúszást ír elő. A szilikongumi kompozit házak nagyrészt felváltották a porcelánt az új telepítéseknél a könnyebb súly, a szennyezett környezetben kiváló szennyezési teljesítmény és a rideg töréssel szembeni ellenállás miatt.

Áramváltók integrálása mérőrendszerekbe

A teljes árammérő rendszer magában foglalja a CT-t, az összekötő vezetékeket és a vevő műszert. A osztott magos áramváltó Emiatt gyakran ez az előnyben részesített választás az utólagos mérési projekteknél – a szolgáltatás megszakítása nélkül telepíthető. A telepítést követően a CT másodlagos egység az energiamérőkhöz, teljesítményelemzőkhöz vagy védelmi relékhez csatlakozik dedikált CT áramkörökön keresztül, amelyeket működés közben mindig zárva kell tartani a veszélyes másodlagos túlfeszültségi állapotok elkerülése érdekében.

Pontossági szabványok és osztálymegjelölések

Az áramváltó pontossági osztályait nemzetközi és regionális szabványok határozzák meg. A két legtöbbet hivatkozott az IEC 61869-2 (korábban IEC 60044-1) és az IEEE C57.13. Az osztálymegjelölések megértése segít az alkalmazáshoz megfelelő CT meghatározásában.

IEC mérési osztályok

Az IEC 61869-2 a mérési pontossági osztályokat 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 és 3 értékben határozza meg. Az "S" utótag (speciális) kis áramerősség melletti megnövelt pontosságot jelöl – konkrétan a CT-nek meg kell felelnie az arányhiba-specifikációnak, nem pedig az 5%-os szabványos áramértéknek. A 0,5S és 0,2S osztályú fogyasztásmérőkhöz számos szabályozási keret szükséges, mivel a terhelések gyakran jóval a CT névleges primer áramának 100%-a alatt működnek.

IEC védelmi osztályok

A védelmi osztályú CT-ket a pontossági határtényező (ALF) és a térdpontos viselkedésük határozza meg. Az 5P és 10P osztály a szabványos megjelölés, ahol a szám a maximális összetett hibát jelzi a névleges pontossági határtényező mellett. Az 5P20 CT 5%-ot meg nem haladó összetett hibát tart fenn, ha a primer áram 20-szorosa a névleges áramnak – ez a feltétel a túláramrelék megbízható működéséhez hibaállapotok esetén.

IEEE osztályok

A IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

Gyakran Ismételt Kérdések