Измервателни трансформатори - част 1

Hормалната работа на електрическите прибори, автоматизираните производствени системи, поддържането на технологични процеси в химическата и обработващата промишленост са само част от примерите за необходимостта от измерване и поддържане в определени граници на осигуряващите ги токове и напрежения. За да могат да бъдат следени и регулирани, значителните стойности на тези величини обикновено се намаляват чрез измервателни трансформатори (Instrument Transformer, Measurement Transformer).

Тяхното наименование, за разлика от обикновените трансформатори, се определя от специфични изисквания към параметрите им и на първо място e въвеждането на минимална грешка при преобразуването на двете електрически величини. Според това дали измервателният трансформатор е предназначен да следи ток или напрежение съществуват две основни категории – токови трансформатори (Current Transformer) CT и напрежителни трансформатори (Voltage Transformer) VT.

Първите са много по-масово използвани от вторите и затова в настоящата статия им е отделено по-голямо внимание. Допълнителни предимства на измервателните трансформатори са галваничното разделяне между свързаните в първичната и вторичната им намотка прибори и възможността за заземяване на тези във вторичната.

Токови трансформатори
Основното им предназначение е да измерват силните променливи токове по проводниците на електрически мрежи, а принципът на действието им се изяснява чрез фиг. 1а. Около проводника, чийто ток I трябва да се измерва, има магнитопровод от метален пръстен (обикновено ламинирана стомана) с вторична намотка върху него от N навивки.

Получава се токов трансформатор с първична намотка, проводникът (една навивка) и създаденото от I електромагнитно поле с напрегнатост В обуславя протичането на ток I2=I/N през свързаната накъсо (в случая чрез поставения амперметър) вторична намотка. Практиката е наложила токовите трансформатори да осигуряват I2 с максимална стойност 1 А или по-често 5 А (в зависимост от модела), а N се избира според големината на измервания ток I.

Трябва да се подчертае, че късото съединение на вторичната намотка е желаният работен режим на СТ (както работата на празен ход е този на VT), който задължително трябва да се поддържа. Това означава, че веригата на измервания ток трябва да има колкото е възможно по-малко омично съпротивление, а при монтажа на СТ те да са със свързана накъсо вторична намотка и това късо съединение да се премахва едва след като е поставен необходимият й товар.

Оставянето на СТ без късо съединение или подходящо малък товар крие сериозна опасност, тъй като трансформаторът започва да работи като VT и върху вторичната намотка се получава напрежение U2=NU1, където U1 е това на обекта, чийто ток се измерва. Най-голямо е U2 при празен ход на вторичната намотка и изолацията й обикновено не е предвидена да издържи неговата стойност – резултатът може да е повреда на СТ или дори възникване на пожар.

По-редки са случаите на сравнително малък ток I, когато проводникът за него се навива като първична намотка (фиг. 1б) с Np навивки (обикновено 2 или 3) и за трансформатора се ползват съответно термините Two Loops CT и Three Loops CT. Токът във вторичната намотка сега е I2=NpI/N.

Друга, също не особено често използвана разновидност, са СТ с няколко вторични намотки (Multi-Ratio CT), които може да са свързани последователно (CT Reconnectable by Secondary Side) или да са самостоятелни (CT Not Reconnectable). Последната разновидност най-често е с две намотки (Double Secondary CT), всяка със собствен магнитопровод, и приложения за едновременно управление от СТ на два консуматора например ампермер и реле.

Едва ли е необходимо да се отбелязва, че поради естеството на действието си СТ са еднофазни и за трифазни консуматори е необходим СТ на всяка от фазите. Освен това е полезно е да се има предвид, че голяма област на приложение на СТ е като част от структурата на преобразуватели на ток (Current Transducer).

Основни параметри на токовите измервателни трансформатори
Максималният измерван ток (Primary Current), който се означава и с Ip, е с типични граници от 1 А до над 10 kA. При надхвърлянето му проводникът на вторичната намотка се прегрява, в резултат на което експлоатационният срок на СТ намалява и дори е възможен пробив в изолацията на намотката. Според стандарта IEEE 60044-1 стойностите на Ip трябва да са кратни на 1, 1,25, 1,5, 2, 2,5, 3, 4, 5, 6 и 7,5.

Коефициентът на трансформация (CR Ratio) е k=N/Nр и за масовия случай на Np=1 е равен на N. Полезно е да се има предвид, че СТ с даден k може да се превърне в трансформатор с коефициент k/Np чрез Np навивки като първична намотка. Загубите на енергия в сърцевината и намотките на СТ, които се превръщат в топлина, обикновено се пренебрегват, при което k е отношението на максималния измерван ток и създавания от него I2 в измервателната верига.

В документацията k обикновено се означава като I/I2 или I:I2, например 300/5 и 300:5 означават максимален измерван ток 300 А, на който съответстват 5 А във вторичната намотка и k=20.

Класът на точност (Accuracy Class) показва допустимата относителна грешка в проценти, получавана при максималния ток I, като при по-малък ток тя нараства. Същевременно, грешката трябва да се запазва непроменена при токове с 20% по-големи от максималния, а отношението I/I2 да намалява с не повече от 10% при токове 4I. В зависимост от стойността на грешката съществуват две категории СТ, първата от които са измервателните СТ със сравнително малка грешка - типично ±0.3%, ±0.6%, ±1.2% и ±2.4%.

За измервателни уреди обикновено се използват СТ с такава грешка, към които с нарастваща популярност се прибавят новите СТ с ±0.1%, ±0.15% и ±0.2%. Втората категория са управляващи СТ с по-голяма относителна грешка, типични нейни стойности ±1%, ±2%, ±4%, ±8% и ±10% и характерни приложения за задействане на релета, изпълнителни механизми и блокове за максималнотокова защита.

Поради зависимостта на относителната грешка от стойността на I не би трябвало да се счита, че СТ с определен I:I2 могат да се използват като такива с коефициент на трансформация aI:aI2 при a

В реални условия към вторичната намотка на СТ е включен консуматор с индуктивен характер и съответно омично съпротивление R, индуктивност L и импеданс Z, чиито стойности зависят от вида на консуматора и дължината на свързващите го към СТ проводници. Тези три величини определят пълната мощност P=I2Z (във VA) на консуматорите, с чието увеличаване нараства относителната грешка.

Това е причината да се използва параметърът товар във вторичната намотка, който се означава с “Burden”, за да се прави разлика от класическия термин Load, чието значение в СТ е токът I. Така относителната грешка на СТ се дава във вида XBY, където Х е нейната стойност, В е от Burden и Y е максималният товар във вторичната намотка, до който е в сила Х. Означението на тази „комплексна” грешка е Accuracy/Burden (A/B).

При измервателните СТ товарът във вторичната намотка представлява Z на консуматора, например трансформаторът D040200S1 на ABB е с k=200:5 и A/B=0,3B0,2, т. е. до Z=0,2 ома има относителна грешка ±0,3%. Същият начин на отразяване на товара се използва и в управляващите СТ от най-масово използвания клас С (C-class Relaying Accuracy), но със значително приложение e и означениeто от вида XCxxx, където ххх е дву- или трицифрено число за максимално допустимото напрежение върху вторичната намотка, което се получава при ток през нея от 100 А.

Например 2С200 означава грешка 2% и напрежение 200 V, което очевидно се получава върху товар Z=2 ома. Стойностите на напрежението обикновено са предмет на стандарти, например в IEEE C57.13 е предвидено да се използват СТ с напрежения 10, 20, 50, 100, 200, 400 и 800 V, което означава работа със Z между 0,1 и 8 ома.

Трябва да се има предвид, че не са рядкост производителите, които като товар във вторичната намотка дават максималната стойност на Р с наименование Rated Power, чиито типични стойности са между 1 VA и 40 VA. Практическо правило за избора на СТ за захранване на измервателни уреди е неговата относителна грешка да е поне 3 пъти по-малка от тяхната.

За оценка на допустимото нагряване на изолацията на вторичната намотка се използва параметърът коефициент на претоварване (Rating Factor, Thermal Rating Factor) RF, който показва, че СТ продължава да работи нормално при ток RFxI. С други думи RF определя възможностите за претоварване на СТ, а типичните му стойности са 1, 1,25, 1,33, 1,5, 2, 3 и 4.

Прието е, че стойността на RF е в сила при околна температура +30 °С, докато при по-високи температури той намалява. За изчисляване на RF при температура TN над +30 °С се ползва изразът RFt = RFxsqr(1,545-0,0182TN), който е в сила до +85 °С. Например СТ с RF=2 има при +60 °С коефициент на претоварване RFt=1,35.

Максимално допустимото изолационно напрежение (Insulation Voltage) е между двете намотки на СТ и между вторичната му намотка и земя с типични стойности между 600 V и 400 kV. То е променливо и обикновено е в сила при прилагането му за не повече от 1 min, а стойността му определя класа на изолацията (Insulation Class, Voltage Class) на СТ.

Сред основните параметри на СТ е и честотният обхват (Frequency Range) с типични стойности между 50 Hz и 400 Hz, определящи възможността за работа в практически всички съществуващи електрически мрежи. Масови са и СТ само за мрежова честота (обикновено 50/60 Hz), а се предлагат и свръхнискочестотни СТ за работа до 20 Hz.

Производителите обикновено предлагат серии от СТ с еднаква конструкция, но различаващи се по коефициента на трансформация и комплексната грешка.
Полярност. Известното от класическите трансформатори „начало на намотка”, отбелязвано на схемите за свързването им с точка или звезда, по принцип се използва и в СТ.

С Н1 се отбелязва страната („начало”) на проводника за I, свързвана към фазата на мрежата, с Н2 е тази за свързване към консуматора и Х1 е началото на вторичната намотка, съответстващо на Н1 (понякога другият извод на вторичната намотка се отбелязва с Х2). Обикновено Н1 и Х1 се означават с точка (Polarity Mark) и на корпуса на СТ, а в някои модели вместо точка има стрелка, която показва къде влиза токът на фазата. Двата извода са от една и съща страна на СТ. Правилното свързване на СТ е важно, когато консуматорът е ватметър и максималнотоково предпазно реле (Protective Relay).

При съмнение в правилността на маркировката, както и при отсъствието й, трябва по експериментален път да се определят Н1 и Х1. За целта положителният полюс на постояннотоков стрелкови волтметър се свързва към Х1 (или предполагаемия Х1), а отрицателният – към другия извод на вторичната намотка. В отвора на СТ се поставя проводник и изводът му към Н2 се свързва с отрицателния полюс на галваничен елемент, батерия или акумулатор. Другият край, който е откъм Н1, за момент се докосва към положителния полюс на батерията – при отклонение на стрелката (независимо колко голямо) описаните изводи са верни.

Стандарти
Класическият европейски набор от стандарти за трансформатори е EN60044 (те са и на Международната електротехническа комисия като IEC60044), които са в сила и за СТ. На изискванията към различни СТ са посветени IEC60044-1, IEC60044-3, IEC60044-6 и IEC60044-8, като същата организация е създала и IEC61869-1. Например според стандартите на IEC токът I2 на СТ се допуска да има стойности 0,5 А, 1 А, 2 А и 5 А, докато според ANSI той винаги трябва да е 5 А.

За високоволтови СТ, които изискват монтиране на значително разстояние от околни предмети, е стандартът EN50178. Например според него СТ трябва да издържат на 2 до 4 пъти по-големи импулсни напрежения в сравнение с EN60044-1 и се дава методика за измерване. Продължава да се използва терминологията на СТ, дадена в американския стандарт ANSI C57.13, независимо че е от 1968 г. в неговото разширение и видоизменение IEEE Std C57.13-1993 са посочени изискванията към СТ, а в ANSI/IEEE C.57.13-2008 са определени техните класове на точност.

Видове измервателни токови трансформатори според конструкцията
Съществуват 3 основни вида, като всеки от тях има разновидности.

СТ с прозорец (Window CT, Donut CT). Тяхното наименование се дължи на отвора („прозорец”) за преминаване на проводника, чийто ток I ще се измерва или следи. В СТ с фиксиран отвор (Solid Core CT) той не може да се променя по време на експлоатацията и в по-голяма част от случаите е кръгъл при също кръгъл магнитопровод (Toroidal Ring Type CT) – фиг. 1а или квадратен магнитопровод (фиг. 1б), като и в двата случая основен механичен параметър е диаметърът на отвора.

Естеството на магнитопровода определя и наименованието Solid Core CT. В зависимост от вида на изводите и начина на закрепване има няколко разновидности, първата от които е с гъвкави изводи (Wire Lead CT) и освен за СТ е подходяща за други приложения като контролиране на долната и горната граница на тока в силови вериги и в дефектнотокови релета (Ground Fault Relay).

Съществуват трансформатори със закрепване на свързващите проводници към изводи с гайки и монтиране върху носеща повърхност чрез болтове. Третата характерна разновидност са СТ за монтаж върху печатна платка. От този тип има и СТ за вертикален монтаж (Vertical Mounting PCB CT), чийто магнитопровод е перпендикулярен на платката.

Сравнително по-ограничени са приложенията на СТ с правоъгълни магнитопровод и отвор. Малко по-сложната и скъпа тяхна конструкция в сравнение с предните е за сметка на възможността за плътно нареждане на повече СТ или прибори с тях един до друг, например предпазители на шина. Типичното отношение на двата размера на прозореца е около 2.5:1, например от 30:12 mm за I около 100 А до 133:50 при I=1600 А.

Предимство на СТ с фиксиран отвор е все пак сравнително простата им конструкция, но тя затруднява монтажа им поради необходимостта от прекъсване на тоководещия проводник.

Специфичен тип са СТ, чиято вторична намотка се поставя като втулка върху изводите обикновено на силови трансформатори или токоизключватели, което определя наименованието Bushing СТ.

Втората разновидност са СТ с прозорец и една подвижна страна на магнитопровода (Split-Core CT), двата основни варианта на която (фиг. 2 а, б) са с правоъгълен магнитопровод. По-рядко се използват СТ с квадратен и кръгъл магнитопровод. Очевидно по-сложната им и скъпа конструкция позволява на тези СТ да се монтират без прекъсване на проводник, което в много случаи е съществено предимство.

Масово използван тип на тази разновидност са токовите клещи (Clamp Meter), които са преносими CT (Handheld CT). Измерват в цифров вид средноквадратични стойности на тока до няколко стотици А с превключване на обхватите.

СТ с вграден тоководещ проводник (Bare-Type CT). Имат същия принцип на действие както предния тип, но проводникът (обикновено плосък) за I е фиксиран неподвижно в конструкцията и е снабден с подходяща изолация. Съществена особеност е, че част от тези СТ имат компенсиращи намотки за увеличаване на точността на работа с токове близо до максималния, а цената на цялата категория е значително по-висока в сравнение с предния вид.

СТ с навита първична намотка (Wound CT, Wound Primary CT). Наименованието им ясно определя тяхната конструкция, а сравнително ограничените им приложения са за токове обикновено между 1 А и 100 А и за k от 2,5:5 до 100:5, т. е. част от моделите са с I<I2.

Според условията на работа на СТ съществуват други два вида. Първият са за работа на закрито (Indoor CT) без значително съдържание във въздуха на прах, пушек, пара, газове с голямо съдържание на соли и вещества, предизвикващи корозия. В повечето случаи тези СТ могат да работят в сравнително тесен температурен обхват (например от -5 °С до +40 °С), но има модели за по-висока и/или по-ниска околна температура, както и за работа при понижено атмосферно налягане.

Вторият вид са СТ за работа навън (Outdoor CT), които работят в по-широк температурен обхват (например от -60 °С до +55 °С), но в зависимост от модела може да има ограничения на средната температура за едно денонощие, например да не надхвърля +35 °С.

Освен това СТ могат да издържат на влияния на околната среда, недопустими за първия вид, чиито конкретни стойности зависят от модела. За намаляване на тези влияния са увеличени разстоянията между изводите на фазата и нулата и между фазата и отворите за закрепване на СТ.

Статията продължава в следващия брой на списанието, където ще бъдат разгледани видовете СТ според предназначението им, техните практически особености, както и напрежителните трансформатори.