Intern konstruktion og typer af strømtransformatorer

Den Core: Heart of Every Current Transformer

Den magnetiske kerne er den mest ydelsesdefinerende komponent i en strømtransformator. Det tjener som det medium, hvorigennem energi fra den primære leder overføres til den sekundære vikling ved elektromagnetisk induktion. Formen, materialet og tværsnitsarealet af kernen bestemmer næsten alle præstationskarakteristika for den færdige enhed.

Kernegeometri

De fleste nuværende transformatorkerner er fremstillet i en ringformet (ring) form. Denne lukkede sløjfegeometri sikrer, at den magnetiske fluxvej er kontinuerlig, hvilket minimerer fluxlækage og bidrager til høj nøjagtighed. Toroidale kerner er standard i instrumenter af indtjeningsgrad og beskyttelsesklasse, fordi de giver meget lave fasevinkelfejl ved nominel strøm.

For strømtransformatorer af viklet type, der anvendes i højforhold eller specialapplikationer, kan kerner lamineres i rektangulære eller C-formede konfigurationer samlet af kornorienterede elektriske stålstrimler. Disse laminerede kerner giver producenten mulighed for at skræddersy tværsnitsarealet præcist til en målbelastning og nøjagtighedsklasse.

Magnetiske kernematerialer

Valget af magnetisk kernemateriale styrer direkte transformatorens nøjagtighedsklasse, mætningsadfærd og frekvensrespons. Tabellen nedenfor opsummerer de mest almindelige muligheder:

Til standard strøm-frekvensmåling ved 50 Hz eller 60 Hz forbliver CRGO siliciumstål det dominerende valg på grund af dets gunstige balance mellem omkostninger, tilgængelighed og magnetisk ydeevne. Nikkel-jernlegeringer er forbeholdt præcise indtægtsmåling CT'er, hvor fejl skal holdes inden for 0,1 % eller 0,2 % over et bredt belastningsområde.

Kernelaminering og isolering

For at reducere hvirvelstrømstab lamineres silicium-stålkerner i tynde strimler, typisk 0,23 mm til 0,35 mm tykke. Hver laminering er belagt med et tyndt isolerende lag - normalt en fosfatbehandling eller en organisk lak - der forhindrer strøm i at flyde mellem lagene. Strammere laminering og tyndere strimler reducerer tab og varmeopbygning under vedvarende overbelastningsforhold.

Sekundær vikling: Konvertering af flux til et målbart signal

Den sekundære vikling er viklet direkte på kernen og er ansvarlig for at producere den udgangsstrøm, som instrumenter, relæer og målere måler. Den fysiske konstruktion af denne vikling påvirker både nøjagtighed og termisk ydeevne.

Vikletråd og ledermateriale

Stort set alle sekundære viklinger er viklet af emaljeret kobbertråd. Kobbers kombination af høj elektrisk ledningsevne, duktilitet og velforståede temperaturegenskaber gør det til standardvalget. I specialiserede letvægtsdesigns bruges aluminiumstråd lejlighedsvis, selvom det kræver større tværsnit for at opnå samme modstandsmål og kræver omhyggelig afslutning for at forhindre korrosion.

Trådmåleren er valgt til at opfylde den sekundære viklingsmodstandsspecifikation (ofte kaldet Rct - modstanden af ​​den sekundære vikling). En lavere Rct tillader en større del af den tilgængelige sekundære EMF at blive leveret til den eksterne byrde i stedet for at spredes internt som varme. Dette påvirker direkte nøjagtigheden ved lave belastningsniveauer.

Vikleteknik og drejningstælling

Det sekundære vindingstal bestemmer transformationsforholdet i kombination med de primære vindinger. For en standard strømtransformator af stang- eller vinduestype, hvor den primære er en enkelt gennemløbsleder, er den primære vindingstal 1. De sekundære vindinger indstilles derefter til at opnå det ønskede forhold — for eksempel 200 vindinger for et forhold på 200:1 i en 200 A/1 A transformer.

Vindingerne er fordelt ensartet rundt om toroiden for at sikre afbalanceret magnetomotorisk kraft og for at minimere lækageflux. Ensartethed er især kritisk i design med høj nøjagtighed, hvor selv små asymmetrier i viklingsfordelingen kan introducere målbare fasevinkelfejl.

Isolering mellem lag

Flerlagsviklinger kræver mellemlagsisolering for at forhindre spændingsnedbrud mellem vindinger ved forskellige potentialer. Almindelige isoleringsmaterialer mellem lag omfatter:

• Polyesterfilmtape (Mylar-type) - bruges i lav- til mellemspændings-CT'er på grund af balancen mellem dielektrisk styrke og tynd profil
• Polyimidfilm (Kapton-type) — valgt, når driftstemperaturer overstiger 130°C, eller når meget tynd isolering er nødvendig uden at ofre spændingsmodstand
• Nomex-papir - bruges i tørre miljøer med høj temperatur, hvor cellulosebaserede materialer ville nedbrydes

Primære lederarrangementer i nuværende transformatorkonstruktion

Den primære side af en strømtransformator kan arrangeres på flere tydeligt forskellige måder, som hver resulterer i en anden mekanisk konstruktionstype. Dette er det primære grundlag for klassificering af CT'er efter fysisk design.

Bar Type Strømtransformer Konstruktion

En strømtransformator af stangtype bruger en fast, fabriksinstalleret primær leder - typisk en kobber- eller aluminiumstang - der passerer gennem midten af den ringformede eller rektangulære kerne-og-viklingskonstruktion. Kernen og sekundærviklingen er indkapslet omkring denne stang. Denne konstruktion tilbyder maksimal mekanisk stivhed og foretrækkes til koblingsanlæg og samleskinneinstallationer, hvor primære strømværdier spænder fra 400 A til flere tusinde ampere.

Da stangen er fabriksindstillet, er CT'er af stangtypen ikke feltjusterbare. Den nominelle primærstrøm bestemmes ved fremstillingen. De er dog ekstremt stabile over årtiers service, fordi der ikke er nogen mekaniske samlinger i den primære vej, der kan løsne sig eller korrodere.

Vinduestype Strømtransformatorkonstruktion

Window-type CT'er, nogle gange kaldet ring-type eller donut strømtransformatorer, består af en ringformet kerne viklet med den sekundære spole og indesluttet i et hus, der har en central åbning. Den primære leder - uanset hvilket kabel eller samleskinne, der bærer den målte strøm - føres simpelthen gennem denne åbning ved installationen. Der er ingen elektrisk forbindelse mellem CT-legemet og den primære leder; transformeren fungerer udelukkende ved induktion.

Dette design er alsidigt, fordi en enkelt CT-model kan installeres på ledere med varierende tværsnit, så længe lederen passer fysisk gennem vinduet. Vinduestype CT'er bruges i vid udstrækning i paneltavler, kabelovervågning og eftermontering af eksisterende installationer.

Sårstrømstransformatorkonstruktion

I en viklet strømtransformator består den primære vikling af en eller flere vindinger af isoleret kobberleder viklet direkte på kernen ved siden af sekundæren. Dette arrangement bruges, når den primære strøm er relativt lav - typisk under 100 A - og en enkeltpasleder ville producere utilstrækkelig flux til nøjagtig måling.

Ved at tilføje to, tre eller flere primære vindinger multipliceres det effektive transformationsforhold uden at kræve en fysisk større kerne. En viklet CT med 5 primære vindinger og 1.000 sekundære vindinger har et effektivt forhold på 1.000:5, eller 200:1, med en 5-turs primær, der driver større flux for den samme linjestrøm end en enkelt-bar primær.

Wound-type CT'er er typisk dyrere end bar- eller vinduestyper ved samme strømværdi, fordi den ekstra viklingsproces tilføjer arbejdskraft, og den primære lederisolering skal vurderes til systemets fulde line-to-line spænding.

Split Core Current Transformer: Konstruktion og applikationer

The split core strømtransformator løser et specifikt praktisk problem: hvordan man installerer en strømtransformator på en leder, der ikke kan afbrydes eller afbrydes. Den magnetiske kerne er opdelt i to halvdele langs en præcisionsbearbejdet samling. Et hængsel eller låsemekanisme holder halvdelene lukket under drift og gør det muligt at adskille dem til installation.

Når kernehalvdelene er åbne, kan CT'en placeres omkring et strømførende kabel. Når først det er lukket og låst, er det magnetiske kredsløb færdigt, og enheden fungerer identisk med en solid toroidal CT med tilsvarende dimensioner.

Den vigtigste tekniske udfordring i split-core design er at minimere luftspalten ved samlingen. Selv et mikroskopisk hul i det magnetiske kredsløb øger den krævede magnetiseringsstrøm dramatisk og introducerer fejl, især ved lave primære strømniveauer nær 5 % til 20 % af den nominelle værdi. Producenter løser dette gennem:

• Præcisionsbearbejdning af de matchende overflader til tolerancer under 10 mikrometer
• Brug af højpermeabilitet kernematerialer, der er mere tolerante over for små resterende mellemrum
• Fjederbelastede låse, der anvender en ensartet klemkraft for at holde halvdelene godt sammen
• Nanokrystallinske eller amorfe kernematerialer, som bevarer lavere fejl, selv med lidt ufuldkommen lukning

Split-core CT'er bruges i vid udstrækning til energiaudit, bygning af energistyringssystemer, eftermonterede strømovervågningspaneler og enhver applikation, hvor installationen skal udføres uden at lukke det overvågede kredsløb. De fås i nøjagtighedsklasser fra klasse 1 ned til klasse 0,5 afhængig af kernemateriale og fugekvalitet.

Toroidal Current Transformer: Hvorfor ringformen dominerer

Den ringformede strømtransformator er langt den mest almindelige konstruktion, der bruges i moderne panelmonteret og inline strømmåling. Dens definerende egenskab er den doughnut-formede kerne, som skaber en lukket magnetisk bane uden bevidst luftspalte (i solid-core versioner) og uden blottede polflader.

Magnetisk effektivitet af den toroidale kerne

Fordi den magnetiske flux cirkulerer fuldstændigt inden i kernematerialet i et toroidformet design, undslipper stort set ingen flux ud i den omgivende luft. Dette har to praktiske konsekvenser. For det første er magnetiseringsstrømmen, der kræves for at etablere arbejdsfluxen, meget lav, hvilket direkte reducerer forholdsfejl og faseforskydning. For det andet er den toroidale CT meget mindre følsom over for placeringen af ​​den primære leder i vinduet - en egenskab kaldet positionsfejlimmunitet - sammenlignet med design med rektangulære kerne.

I en veldesignet toroidal CT introducerer flytning af den primære leder fra midten af ​​vinduet til en off-center position mindre end 0,05 % yderligere forholdsfejl. I en rektangulær kerne-CT kan den samme forskydning introducere fejl, der overstiger 0,3 %.

Fremstilling af toroidale kerner

Toroidale kerner til strømtransformatorer fremstilles ved en af tre metoder afhængigt af målmaterialet:

1. Tape-viklede kerner — En kontinuerlig strimmel af siliciumstål, nikkel-jernlegering eller nanokrystallinsk bånd er viklet i en spiral omkring en dorn og derefter varmebehandlet for at aflaste mekanisk spænding, der indføres under vikling. Denne metode bruges til de højeste nøjagtighedsgrader.
2. Stablede lamineringskerner — Individuelle udstansede lamineringer stables og sammenflettes for at danne en ring, der almindeligvis bruges til kerner med større diameter, hvor tapevikling ville give for stor indre belastning.
3. Pulverformede eller sintrede ferritkerner — Anvendes til højfrekvente applikationer; ferritten presses ind i en ringformet form og sintres ved høj temperatur.

Isoleringssystemer i strømtransformatorer

CT-isolering skal udføre to funktioner samtidigt: isolering af den primære højspændingsleder fra det sekundære lavspændingskredsløb og beskyttelse af viklingen og kernesamlingen mod miljøforringelse. Det valgte isoleringssystem afhænger af den nominelle spænding, det omgivende miljø og de mekaniske krav til applikationen.

Harpiksindkapsling (epoxy- eller polyurethanstøbning)

Størstedelen af lavspændings- og mellemspændingsstrømtransformatorer, der bruges i målepaneler og koblingsudstyr, er fremstillet ved at støbe eller vakuuminjicere epoxyharpiks omkring den viklede kernesamling. Denne proces, ofte kaldet formstøbt huskonstruktion, skaber et solidt, hulrumsfrit isolerende legeme, der:

• Giver en dielektrisk styrke på mere end 3 kV/mm til standard epoxysystemer
• Eliminerer fugtindtrængning uden yderligere tætning
• Beskytter mekanisk kernen og viklingen mod vibrationer og stød
• Tillader præcis dimensionskontrol af den udvendige krop til panelmontering

Vakuumtrykimprægnering (VPI) anvendes til større montager, hvor støbning er upraktisk. Vindingen nedsænkes i harpiks under vakuum for at fjerne indespærret luft, og sættes derefter under tryk for at tvinge harpiks ind i hvert hulrum før hærdning.

Oliefyldt isolering

Højspændingsstrømtransformatorer vurderet over 36 kV bruger typisk mineralolie som det primære isolerings- og kølemedium. Den viklede kerne og den sekundære samling er placeret inde i en forseglet metaltank fyldt med mineralolie af transformerkvalitet. Cellulosepapirisolering er viklet rundt om den primære leder i flere lag og opbygger den krybeafstand, der er nødvendig for at modstå netspændingen.

Oliefyldte CT'er er standarden for 110 kV, 220 kV og 500 kV installationer i transmissionstransformerstationer. Regelmæssig olieprøvetagning og analyse af opløst gas giver vedligeholdelsesteams mulighed for at opdage begyndende isolationsforringelse, før der opstår fejl.

Gasisolerede strømtransformatorer

I gasisolerede koblingsanlæg (GIS)-installationer er strømtransformatorer integreret i GIS-kabinettet og bruger svovlhexafluorid (SF6)-gas som isoleringsmedium. Disse CT'er nyder godt af det samme kompakte fodaftryk som det omgivende koblingsudstyr og kræver ingen væskevedligeholdelse, selvom det forseglede gassystem skal overvåges for tryk og renhed.

Tør-type og luftisolerede designs

Til indendørs installationer i kontrollerede miljøer ved spændinger op til ca. 36 kV tilbyder tør-type CT'er, der anvender solide isoleringsmaterialer (harpiksbundet glasfiber, støbt harpiks eller Nomex) et alternativ til oliefyldte designs. De er lettere, eliminerer risiko for oliespild og forenkler vedligeholdelsen, selvom de er mere følsomme over for kondens og forurening, hvis de bruges i barske udendørs miljøer.

Klassificering af strømtransformatorer efter konstruktionstype

Følgende tabel konsoliderer de vigtigste konstruktionstyper, deres typiske strømintervaller, nøjagtighedsevner og primære anvendelsessektorer:

Hvordan intern konstruktion påvirker nøjagtighed og ydeevne

At vælge den rigtige strømtransformator er ikke blot et spørgsmål om at matche strømforholdet. Den interne konstruktion bestemmer, hvordan en CT opfører sig på tværs af dets driftsområde, under belastningsvariation, ved forhøjede temperaturer og i nærvær af harmoniske.

Forholdsfejl og dens oprindelse

Forholdsfejl opstår, fordi magnetiseringsstrømmen - den strøm, der kræves for at etablere flux i kernen - ikke vises i den sekundære udgang. Al den magnetiserende strøm trækkes fra den primære, men ingen af ​​den når byrden. Jo større magnetiseringsstrømmen er i forhold til primærstrømmen, jo større er forholdsfejlen. Nikkel-jern og nanokrystallinske kerner kræver med deres meget høje permeabilitet langt mindre magnetiseringsstrøm end silicium-stålkerner og opnår derfor lavere forholdsfejl ved samme kernetværsnit.

Faseforskydningsfejl

Faseforskydning er vinkelforskellen, målt i bueminutter, mellem den primære strømfaser og den sekundære strømfaser (omvendt for retning). Faseforskydning er særlig vigtig i effektfaktor- og energimåling, fordi selv en lille vinkelfejl introducerer en cosinusafhængig fejl i watt-time-beregninger. En faseforskydning på 10 minutter på en belastning på 0,5 effektfaktor kan give en energimålefejl på ca. 0,5 %.

Byrde og dens virkning på nøjagtighed

Den sekundære byrde - den samlede impedans af tilsluttede instrumenter, ledningsmodstand og relæspoler - påvirker direkte nøjagtighedsklassens ydeevne. De fleste nøjagtighedsklassespecifikationer (IEC 61869, IEEE C57.13) definerer ydeevne ved en nominel byrde og ved 25 % af den nominelle byrde. En CT specificeret som klasse 0,5 ved en 5 VA byrde vil kun udføre inden for 0,5 % forholdsfejl, når den tilsluttede byrde ikke overstiger 5 VA. Overskridelse af den nominelle belastning øger den sekundære terminalspænding, driver kernen mod mætning og forringer nøjagtigheden.

Harmonisk præstation

I drevinstallationer med variabel hastighed, lysbueovne og strømsystemer til datacenter indeholder primærstrømmen betydeligt harmonisk indhold - ofte ved 5., 7., 11. og 13. harmoniske. Standard silicium-stålkerner udviser stigende tab og fasevinkelforvrængning ved harmoniske frekvenser. Nanokrystallinske og amorfe kerner, med deres flade permeabilitetskurve, der strækker sig til adskillige kilohertz, giver væsentligt bedre nøjagtighed på forvrængede bølgeformer og er det foretrukne valg til klasse A strømkvalitetsanalysatorer.

Ydre hus og monteringskonfigurationer

Indkapslingen af en strømtransformator beskytter de aktive komponenter mod miljøpåvirkning og giver den mekaniske grænseflade til installation. Boligdesign varierer betydeligt mellem anvendelseskategorier.

Panelmonteret støbt kassehus

Lavspændings-CT'er til målepaneler fremstilles næsten universelt i glasfiberforstærket polyester (GRP) eller polycarbonathuse dannet ved sprøjtestøbning omkring kernekonstruktionen af støbt harpiks. Huset integrerer monteringssko eller DIN-skinneklemmer, sekundære klemrækker, der er klassificeret til den forventede udgangsstrøm, og polaritetsmarkeringer (P1/P2 for primær, S1/S2 for sekundær) i henhold til IEC-standarder.

Strømtransformatorer af bøsningstype

Bushing CT'er er ringformede samlinger designet til at glide hen over porcelæns- eller polymerbøsningen på en strømtransformator eller afbryder. De har ingen egen bolig; i stedet klemmes de fast mellem bøsningens flange og transformatorbeholderdækslet. Bøsning CT'er er nogle af de mest kompakte designs, da bøsningen i sig selv giver den primære leder og spændingsisolering.

Udendørs porcelæn og polymerisolerede designs

Mellem- og højspændingsudendørs strømtransformere er anbragt i forseglede samlinger med enten porcelæns- eller silikonegummi-kompositisolatorskure. Skurprofilen er designet til at opretholde tilstrækkelig krybeafstand under forureningsforhold — IEC-standarden kræver en minimumskrybning på 16 mm/kV for let forurenede miljøer og op til 31 mm/kV for stærkt forurenede lokaliteter. Silikonegummikomposithuse har stort set erstattet porcelæn i nye installationer på grund af lavere vægt, overlegen forureningsydelse i forurenede miljøer og modstandsdygtighed over for sprøde brud.

Integrering af strømtransformatorer i målesystemer

Et komplet strømmålingssystem involverer CT'en, de sammenkoblede ledninger og det modtagende instrument. Den split core strømtransformator er ofte det foretrukne valg i eftermonteringsmåleprojekter af denne grund - den kan installeres uden at afbryde servicen. Når den er installeret, forbindes CT-sekundæren til energimålere, effektanalysatorer eller beskyttelsesrelæer gennem dedikerede CT-kredsløb, som til enhver tid skal holdes lukket under drift for at undgå farlige sekundære overspændingsforhold.

Nøjagtighedsstandarder og klassebetegnelser

Strømtransformers nøjagtighedsklasser er defineret af internationale og regionale standarder. De to mest omtalte er IEC 61869-2 (tidligere IEC 60044-1) og IEEE C57.13. At forstå klassebetegnelserne hjælper med at specificere den rigtige CT til applikationen.

IEC måleklasser

IEC 61869-2 definerer målenøjagtighedsklasser som 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 og 3. "S"-suffikset (specielt) angiver udvidet nøjagtighed ved lav strøm - specifikt skal CT'en opfylde sin forholdsfejlspecifikation ned til 5 % af standardstrømmen i stedet for 1 %. Klasse 0.5S og 0.2S er påkrævet for energimålere af omsætningsgrad under mange lovgivningsmæssige rammer, fordi belastninger ofte fungerer godt under 100 % af CT'ens nominelle primærstrøm.

IEC beskyttelsesklasser

Beskyttelsesklasse CT'er er udpeget ved deres nøjagtighedsgrænsefaktor (ALF) og knæpunktsadfærd. Klasse 5P og 10P er standardbetegnelserne, hvor tallet angiver den maksimale sammensatte fejl ved den nominelle nøjagtighedsgrænsefaktor. En 5P20 CT opretholder en sammensat fejl, der ikke overstiger 5 %, når den primære strøm er 20 gange den nominelle strøm — den betingelse, der er nødvendig for pålidelig drift af overstrømsrelæer under fejltilstande.

IEEE klasser

IEEE C57.13-standarden bruger en bogstav-tal-kombination: Bogstavet (C, K, T eller X) angiver ydelsesgrundlaget, og tallet angiver den sekundære terminalspænding ved nominel belastning og 20 gange nominel strøm. En C200 CT kan levere sin nominelle sekundære strøm til en byrde, der udvikler 200 V ved 20 gange nominel primærstrøm uden at overstige 10 % forholdsfejl. Dette klassifikationssystem er udbredt i nordamerikansk brugs- og industriel beskyttelsespraksis.

Ofte stillede spørgsmål