Intern konstruksjon og typer strømtransformatorer

Den Core: Heart of Every Current Transformer

Den magnetiske kjernen er den mest ytelsesdefinerende komponenten i en strømtransformator. Det fungerer som mediet gjennom hvilket energi fra primærlederen overføres til sekundærviklingen ved elektromagnetisk induksjon. Formen, materialet og tverrsnittsarealet til kjernen bestemmer nesten alle ytelsesegenskapene til den ferdige enheten.

Kjernegeometri

De fleste nåværende transformatorkjerner er produsert i ringform (ring). Denne lukkede sløyfegeometrien sikrer at den magnetiske fluksbanen er kontinuerlig, noe som minimerer flukslekkasje og bidrar til høy nøyaktighet. Toroidale kjerner er standard i instrumenter av inntektsgrad og beskyttelsesklasse fordi de gir svært lave fasevinkelfeil ved merkestrøm.

For strømtransformatorer av viklet type som brukes i høyforhold eller spesialapplikasjoner, kan kjerner lamineres i rektangulære eller C-formede konfigurasjoner satt sammen av kornorienterte elektriske stålstrimler. Disse laminerte kjernene lar produsenten skreddersy tverrsnittsarealet nøyaktig for en målbelastning og nøyaktighetsklasse.

Magnetiske kjernematerialer

Valget av magnetisk kjernemateriale styrer transformatorens nøyaktighetsklasse, metningsoppførsel og frekvensrespons direkte. Tabellen nedenfor oppsummerer de vanligste alternativene:

For standard strøm-frekvensmåling ved 50 Hz eller 60 Hz, er CRGO silisiumstål fortsatt det dominerende valget på grunn av dets gunstige balanse mellom kostnad, tilgjengelighet og magnetisk ytelse. Nikkel-jernlegeringer er reservert for presisjons-inntektsmåling CT-er der feil må holdes innenfor 0,1 % eller 0,2 % over et bredt belastningsområde.

Kjernelaminering og isolasjon

For å redusere virvelstrømstap lamineres silisiumstålkjerner til tynne strimler, typisk 0,23 mm til 0,35 mm tykke. Hver laminering er belagt med et tynt isolerende lag - vanligvis en fosfatbehandling eller en organisk lakk - som hindrer strømmen i å flyte mellom lagene. Strammere laminering og tynnere strimler reduserer tap og varmeoppbygging under vedvarende overbelastningsforhold.

Sekundærvikling: Konvertering av fluks til et målbart signal

Sekundærviklingen er viklet direkte på kjernen og er ansvarlig for å produsere utgangsstrømmen som instrumenter, releer og målere måler. Den fysiske konstruksjonen av denne viklingen påvirker både nøyaktighet og termisk ytelse.

Vikletråd og ledermateriale

Praktisk talt alle sekundærviklinger er viklet fra emaljert kobbertråd. Kobbers kombinasjon av høy elektrisk ledningsevne, duktilitet og velforståtte temperaturegenskaper gjør det til standardvalget. I spesialiserte lettvektsdesign brukes aluminiumstråd av og til, selv om det krever større tverrsnitt for å oppnå samme motstandsmål og krever forsiktig avslutning for å forhindre korrosjon.

Trådmåleren er valgt for å oppfylle spesifikasjonen for sekundærviklingsmotstand (ofte kalt Rct - motstanden til sekundærviklingen). En lavere Rct gjør at en større del av den tilgjengelige sekundære EMF kan leveres til den eksterne belastningen i stedet for å spres internt som varme. Dette påvirker direkte nøyaktigheten ved lave belastningsnivåer.

Vikleteknikk og svingtelling

Sekundærviklingens omdreiningstelling bestemmer transformasjonsforholdet i kombinasjon med de primære svingene. For en standard strømtransformator av stavtype eller vindustype hvor primæren er en enkelt gjennomføringsleder, er primæromdreiningstall 1. De sekundære omdreininger settes deretter for å oppnå ønsket forhold — for eksempel 200 omdreininger for et forhold på 200:1 i en 200 A / 1 A transformator.

Viklinger er jevnt fordelt rundt toroid for å sikre balansert magnetomotorisk kraft og for å minimere lekkasjefluks. Ensartethet er spesielt kritisk i design med høy nøyaktighet der selv små asymmetrier i viklingsfordeling kan introdusere målbare fasevinkelfeil.

Isolasjon mellom lag

Flerlagsviklinger krever isolasjon mellom lag for å forhindre spenningsbrudd mellom svinger ved forskjellige potensialer. Vanlige isolasjonsmaterialer mellom lag inkluderer:

• Polyesterfilmtape (Mylar-type) – brukt i lav- til middels spennings-CT-er for balansen mellom dielektrisk styrke og tynn profil
• Polyimidfilm (Kapton-type) — valgt når driftstemperaturer overstiger 130°C eller når det er behov for svært tynn isolasjon uten å ofre spenningsmotstanden
• Nomex-papir - brukt i tørre miljøer med høy temperatur der cellulosebaserte materialer ville brytes ned

Primærlederarrangementer i gjeldende transformatorkonstruksjon

Primærsiden av en strømtransformator kan ordnes på flere forskjellige måter, som hver resulterer i en annen mekanisk konstruksjonstype. Dette er det primære grunnlaget for å klassifisere CT etter fysisk design.

Bar Type Strømtransformator Konstruksjon

En strømtransformator av bartype bruker en fast, fabrikkinstallert primærleder - typisk en kobber- eller aluminiumstang - som passerer gjennom midten av den toroidale eller rektangulære kjerne-og-viklingsenheten. Kjernen og sekundærviklingen er innkapslet rundt denne stangen. Denne konstruksjonen tilbyr maksimal mekanisk stivhet og er foretrukket for koblingsanlegg og samleskinneinstallasjoner der primære strømverdier varierer fra 400 A til flere tusen ampere.

Fordi stangen er fabrikkinnstilt, er CT-er av stangtype ikke feltjusterbare. Den nominelle primærstrømmen bestemmes ved produksjon. De er imidlertid ekstremt stabile over flere tiår med bruk fordi det ikke er noen mekaniske ledd i hovedbanen som kan løsne eller korrodere.

Vindutype Strømtransformatorkonstruksjon

Window-type CT-er, noen ganger kalt ring-type eller smultringstrømtransformatorer, består av en ringformet kjerne viklet med sekundærspolen og innelukket i et hus som har en sentral åpning. Primærlederen - uansett hvilken kabel eller samleskinne som bærer den målte strømmen - tres ganske enkelt gjennom denne åpningen ved installasjon. Det er ingen elektrisk forbindelse mellom CT-kroppen og primærlederen; transformatoren fungerer kun ved induksjon.

Denne designen er allsidig fordi en enkelt CT-modell kan installeres på ledere med varierende tverrsnitt, så lenge lederen passer fysisk gjennom vinduet. Vindustype CT-er brukes mye i paneltavler, kabelovervåking og ettermontering av eksisterende installasjoner.

Sårstrømtransformatorkonstruksjon

I en viklet strømtransformator består primærviklingen av en eller flere vindinger av isolert kobberleder viklet direkte på kjernen ved siden av sekundæren. Dette arrangementet brukes når primærstrømmen er relativt lav - typisk under 100 A - og en enkeltpassleder vil produsere utilstrekkelig fluks for nøyaktig måling.

Ved å legge til to, tre eller flere primære svinger, multipliseres det effektive transformasjonsforholdet uten at det kreves en fysisk større kjerne. En såret CT med 5 primære vindinger og 1000 sekundære vindinger har et effektivt forhold på 1000:5, eller 200:1, med en 5-omdreinings primær som driver større fluks for samme linjestrøm enn en enkelt-bar primær.

CT-er av sårtype er vanligvis dyrere enn bar- eller vindustyper med samme strømklassifisering, fordi den ekstra viklingsprosessen tilfører arbeid og primærlederisolasjonen må vurderes for hele linje-til-linje-spenningen til systemet.

Split Core Current Transformer: Konstruksjon og applikasjoner

The delt kjernestrømtransformator løser et spesifikt praktisk problem: hvordan installere en strømtransformator på en leder som ikke kan kobles fra eller kobles fra. Den magnetiske kjernen er delt i to halvdeler langs en presisjonsbearbeidet skjøt. Et hengsel eller låsemekanisme holder halvdelene lukket under drift og gjør at de kan skilles for installasjon.

Når kjernehalvdelene er åpne, kan CT-en plasseres rundt en strømførende kabel. Når den er lukket og låst, er den magnetiske kretsen komplett og enheten fungerer identisk med en solid toroidal CT med tilsvarende dimensjoner.

Den viktigste tekniske utfordringen i design med delt kjerne er å minimere luftgapet ved skjøten. Selv et mikroskopisk gap i den magnetiske kretsen øker den nødvendige magnetiseringsstrømmen dramatisk og introduserer feil, spesielt ved lave primærstrømnivåer nær 5 % til 20 % av nominell verdi. Produsenter løser dette gjennom:

• Presisjonsbearbeiding av paringsflatene til toleranser under 10 mikrometer
• Bruk av kjernematerialer med høy permeabilitet som er mer tolerante for små gjenværende hull
• Fjærbelastede låser som påfører jevn klemkraft for å holde halvdelene godt sammen
• Nanokrystallinske eller amorfe kjernematerialer, som opprettholder lavere feil selv med litt ufullkommen lukking

Split-core CT-er er mye brukt i energirevisjon, bygging av energistyringssystemer, ettermonterte strømovervåkingspaneler og alle applikasjoner der installasjonen må utføres uten å slå av den overvåkede kretsen. De er tilgjengelige i nøyaktighetsklasser fra klasse 1 ned til klasse 0,5 avhengig av kjernemateriale og fugekvalitet.

Toroidal Current Transformer: Hvorfor ringformen dominerer

Toroidal strømtransformator er den desidert vanligste konstruksjonen som brukes i moderne panelmontert og inline strømmåling. Dens definerende funksjon er den smultringformede kjernen, som skaper en lukket magnetisk bane uten bevisst luftspalte (i solid-core versjoner) og uten synlige polflater.

Magnetisk effektivitet av den toroidale kjernen

Fordi den magnetiske fluksen sirkulerer helt inne i kjernematerialet i en toroidformet design, slipper i hovedsak ingen fluks ut i den omkringliggende luften. Dette har to praktiske konsekvenser. For det første er magnetiseringsstrømmen som kreves for å etablere arbeidsfluksen svært lav, noe som direkte reduserer forholdsfeil og faseforskyvning. For det andre er den toroidale CT-en mye mindre følsom for posisjonen til primærlederen i vinduet - en egenskap som kalles posisjonsfeilimmunitet - sammenlignet med design med rektangulære kjerner.

I en godt utformet toroidal CT vil flytting av primærlederen fra midten av vinduet til en off-center posisjon introdusere mindre enn 0,05 % ekstra forholdsfeil. I en rektangulær kjerne-CT kan den samme forskyvningen introdusere feil som overstiger 0,3 %.

Produksjon av toroidale kjerner

Toroidale kjerner for strømtransformatorer produseres på en av tre metoder avhengig av målmaterialet:

1. Tapeviklede kjerner — En kontinuerlig stripe av silisiumstål, nikkel-jernlegering eller nanokrystallinsk bånd er viklet i en spiral rundt en dor og deretter varmebehandlet for å avlaste mekanisk påkjenning under vikling. Denne metoden brukes for de høyeste nøyaktighetsgradene.
2. Stablede lamineringskjerner — Individuelle utstansede lamineringer stables og sammenflettes for å danne en ring, vanligvis brukt for kjerner med større diameter der tapevikling vil gi for stor indre spenning.
3. Pulveriserte eller sintrede ferrittkjerner — Brukes til høyfrekvente applikasjoner; ferritten presses inn i en toroidformet form og sintres ved høy temperatur.

Isolasjonssystemer i strømtransformatorer

CT-isolasjon må utføre to funksjoner samtidig: isolere høyspentens primærleder fra lavspennings sekundærkretsen, og beskytte viklingen og kjerneenheten mot miljøforringelse. Det valgte isolasjonssystemet avhenger av nominell spenning, omgivelsesmiljøet og de mekaniske kravene til applikasjonen.

Harpiksinnkapsling (epoksy- eller polyuretanstøping)

Flertallet av lavspennings- og mellomspenningsstrømtransformatorer som brukes i målepaneler og bryterutstyr er produsert ved å støpe eller vakuuminjisere epoksyharpiks rundt den viklede kjerneenheten. Denne prosessen, ofte kalt formstøpt konstruksjon, skaper et solid, tomromsfritt isolerende legeme som:

• Gir dielektrisk styrke over 3 kV/mm for standard epoksysystemer
• Eliminerer fuktinntrengning uten ytterligere tetting
• Beskytter kjernen og viklingen mekanisk mot vibrasjoner og støt
• Tillater presis dimensjonskontroll av den eksterne kroppen for panelmontering

Vakuumtrykkimpregnering (VPI) brukes til større sammenstillinger der støping er upraktisk. Viklingen nedsenkes i harpiks under vakuum for å fjerne innestengt luft, og settes deretter under trykk for å tvinge harpiks inn i alle tomrom før herding.

Oljefylt isolasjon

Høyspentstrømtransformatorer vurdert over 36 kV bruker vanligvis mineralolje som det primære isolasjons- og kjølemediet. Den viklede kjernen og sekundærenheten er plassert inne i en forseglet metalltank fylt med mineralolje av transformatorkvalitet. Cellulosepapirisolasjon er viklet rundt primærlederen i flere lag, og bygger opp krypeavstanden som er nødvendig for å motstå linjespenningen.

Oljefylte CT-er er standarden for 110 kV, 220 kV og 500 kV installasjoner i transmisjonsstasjoner. Regelmessig oljeprøvetaking og analyse av oppløst gass gjør at vedlikeholdsteam kan oppdage begynnende isolasjonsforringelse før feil oppstår.

Gassisolerte strømtransformatorer

I gassisolerte bryteranlegg (GIS)-installasjoner er strømtransformatorer integrert i GIS-kapslingen og bruker svovelheksafluorid (SF6)-gass som isolasjonsmedium. Disse CT-ene drar nytte av det samme kompakte fotavtrykket som det omkringliggende bryterutstyret og krever ikke væskevedlikehold, selv om det forseglede gasssystemet må overvåkes for trykk og renhet.

Tørrtype og luftisolerte design

For innendørs installasjoner i kontrollerte miljøer ved spenninger opp til ca. 36 kV, gir tørrtype CT-er med solide isolasjonsmaterialer (harpiksbundet glassfiber, støpt harpiks eller Nomex) et alternativ til oljefylte design. De er lettere, eliminerer risiko for oljesøl og forenkler vedlikeholdet, selv om de er mer følsomme for kondens og forurensning hvis de brukes i tøffe utendørsmiljøer.

Klassifisering av strømtransformatorer etter konstruksjonstype

Følgende tabell konsoliderer de viktigste konstruksjonstypene, deres typiske strømområder, nøyaktighetsevner og primære applikasjonssektorer:

Hvordan intern konstruksjon påvirker nøyaktighet og ytelse

Å velge riktig strømtransformator er ikke bare et spørsmål om å matche strømforholdet. Den interne konstruksjonen bestemmer hvordan en CT oppfører seg på tvers av driftsområdet, under belastningsvariasjon, ved høye temperaturer og i nærvær av harmoniske.

Forholdsfeil og dens opprinnelse

Forholdsfeil oppstår fordi magnetiseringsstrømmen - strømmen som kreves for å etablere fluks i kjernen - ikke vises i sekundærutgangen. All magnetiseringsstrømmen trekkes fra primæren, men ingen av den når belastningen. Jo større magnetiseringsstrømmen er i forhold til primærstrømmen, desto større er forholdsfeilen. Nikkeljern og nanokrystallinske kjerner, med sin meget høye permeabilitet, krever langt mindre magnetiseringsstrøm enn silisiumstålkjerner og oppnår derfor lavere forholdsfeil ved samme kjernetverrsnitt.

Faseforskyvningsfeil

Faseforskyvning er vinkelforskjellen, målt i bueminutter, mellom primærstrømfaser og sekundærstrømfaser (reversert for retning). Faseforskyvning er spesielt viktig i effektfaktor- og energimåling fordi selv en liten vinkelfeil introduserer en cosinusavhengig feil i watt-timeberegninger. En faseforskyvning på 10 minutter på en last med 0,5 effektfaktor kan gi en energimålefeil på omtrent 0,5 %.

Byrde og dens effekt på nøyaktighet

Den sekundære belastningen - den totale impedansen til tilkoblede instrumenter, ledningsmotstand og reléspoler - påvirker direkte ytelsen i nøyaktighetsklassen. De fleste spesifikasjoner for nøyaktighetsklasse (IEC 61869, IEEE C57.13) definerer ytelse ved en nominell byrde og ved 25 % av nominell byrde. En CT spesifisert som klasse 0,5 ved en 5 VA-belastning vil kun utføres innenfor 0,5 % forholdsfeil når den tilkoblede belastningen ikke overstiger 5 VA. Overskridelse av nominell belastning øker sekundær terminalspenning, driver kjernen mot metning og reduserer nøyaktigheten.

Harmonisk ytelse

I stasjonsinstallasjoner med variabel hastighet, lysbueovner og datasenterkraftsystemer inneholder primærstrømmen betydelig harmonisk innhold - ofte ved 5., 7., 11. og 13. harmoniske. Standard silisiumstålkjerner viser økende tap og fasevinkelforvrengning ved harmoniske frekvenser. Nanokrystallinske og amorfe kjerner, med deres flate permeabilitetskurve som strekker seg til flere kilohertz, gir vesentlig bedre nøyaktighet på forvrengte bølgeformer og er det foretrukne valget for klasse A-analysatorer for strømkvalitet.

Ytre hus og monteringskonfigurasjoner

Innkapslingen til en strømtransformator beskytter de aktive komponentene mot miljøeksponering og gir det mekaniske grensesnittet for installasjon. Boligdesign varierer betydelig mellom brukskategorier.

Panelmontert støpt kassehus

Lavspente CT-er for målepaneler er nesten universelt produsert i glassfiberforsterket polyester (GRP) eller polykarbonathus dannet ved sprøytestøping rundt den støpte harpikskjerneenheten. Huset integrerer monteringssko eller DIN-skinneklemmer, sekundære rekkeklemmer vurdert for forventet utgangsstrøm og polaritetsmerker (P1/P2 for primær, S1/S2 for sekundær) i henhold til IEC-standarder.

Strømtransformatorer av bøssingtype

Bushing CT-er er ringformede enheter designet for å gli over porselen- eller polymerbøssingen til en krafttransformator eller strømbryter. De har ingen egen bolig; i stedet klemmes de mellom flensen på bøssingen og transformatortankdekselet. Bøssing-CT-er er noen av de mest kompakte designene, siden bøsningen i seg selv gir den primære lederen og spenningsisolasjonen.

Utendørs porselen og polymerisolerte design

Middels og høyspent utendørs strømtransformatorer er plassert i forseglede enheter med enten porselens- eller silikongummi-komposittisolator. Skurprofilen er designet for å opprettholde tilstrekkelig krypeavstand under forurensningsforhold — IEC-standarden krever et minimumskryp på 16 mm/kV for lett forurensede miljøer og opptil 31 mm/kV for sterkt forurensede områder. Silikongummikompositthus har i stor grad erstattet porselen i nye installasjoner på grunn av lavere vekt, overlegen forurensningsytelse i forurensede miljøer og motstand mot sprø brudd.

Integrering av strømtransformatorer i målesystemer

Et komplett strømmålingssystem involverer CT-en, de sammenkoblede ledningene og mottaksinstrumentet. Den delt kjernestrømtransformator er ofte det foretrukne valget i ettermonterte måleprosjekter av denne grunn - den kan installeres uten å avbryte servicen. Når den er installert, kobles CT-sekundæren til energimålere, strømanalysatorer eller beskyttelsesreleer gjennom dedikerte CT-kretser, som må holdes lukket til enhver tid under drift for å unngå farlige sekundære overspenningsforhold.

Nøyaktighetsstandarder og klassebetegnelser

Strømtransformatorens nøyaktighetsklasser er definert av internasjonale og regionale standarder. De to mest refererte er IEC 61869-2 (tidligere IEC 60044-1) og IEEE C57.13. Å forstå klassebetegnelsene hjelper med å spesifisere riktig CT for applikasjonen.

IEC-måleklasser

IEC 61869-2 definerer målenøyaktighetsklasser som 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 og 3. Suffikset "S" (spesielt) indikerer utvidet nøyaktighet ved lav strøm - spesifikt må CT-en oppfylle sin feilforholdsspesifikasjon ned til 5 % i stedet for standarden på 5 %. Klasse 0.5S og 0.2S kreves for energimålere med inntektsgrad under mange regulatoriske rammer, fordi belastninger ofte opererer godt under 100 % av CTs nominelle primærstrøm.

IEC beskyttelsesklasser

CT-er i beskyttelsesklasse er utpekt av deres nøyaktighetsgrensefaktor (ALF) og knepunktoppførsel. Klasse 5P og 10P er standardbetegnelsene, der tallet angir maksimal komposittfeil ved den nominelle nøyaktighetsgrensefaktoren. En 5P20 CT opprettholder en sammensatt feil som ikke overstiger 5 % når primærstrømmen er 20 ganger merkestrømmen – tilstanden som er nødvendig for pålitelig drift av overstrømsreléer under feiltilstander.

IEEE-klasser

IEEE C57.13-standarden bruker en bokstav-tallkombinasjon: bokstaven (C, K, T eller X) angir ytelsesgrunnlaget, og tallet angir den sekundære terminalspenningen ved nominell belastning og 20 ganger nominell strøm. En C200 CT kan levere sin nominelle sekundære strøm til en byrde som utvikler 200 V ved 20 ganger nominell primærstrøm uten å overstige 10 % forholdsfeil. Dette klassifiseringssystemet er utbredt i nordamerikansk bruks- og industrivernpraksis.

Ofte stilte spørsmål