Johdanto
Virtamuuntaja (CT) on sähköinstrumenttimuuntaja, joka on suunniteltu mittaamaan vaihtovirtaa turvallisesti ja tarkasti. Se toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella muuntaen korkean ensiövirran pienemmäksi toisiovirraksi, jota voivat käyttää mittarit, valvontalaitteet ja suojarelet.
Virtamuuntajia käytetään laajalti sähkönjakelujärjestelmissä, kojeistoissa, teollisuuslaitteissa, energianmittauksessa ja sähkösuojauksessa. CT:n toimintaperiaatteen ymmärtäminen on tärkeää muuntajan oikean valinnan, asennuksen ja käytön kannalta.
Perustoimintaperiaate
Virtamuuntajan perustoimintaperiaate perustuu sähkömagneettiseen induktioon.
Kun vaihtovirta kulkee CT-ensiöpiirin läpi, se tuottaa muuttuvan magneettikentän. Tämä magneettikenttä luo magneettivuon CT-ytimeen. Vaihtuva magneettivuo indusoi sitten sähkömotorisen voiman ja virran toisiokäämiin.
Toisiovirran suuruus liittyy ensiövirtaan ja muuntajan suhteeseen.
Yksinkertaistetussa ideaalisessa TT:ssä suhde voidaan ilmaista seuraavasti:
Ip / Is ≈ Ns / Np
jossa:
* Ip on ensiövirta.
* Is on toisiovirta.
* Np on pääkierrosten lukumäärä.
* Ns on toissijaisten kierrosten lukumäärä.
Monissa käytännön CT:issä primääri koostuu sydämen läpi kulkevasta johtimesta, kun taas toisiokäämissä on monta kierrosta. Tämä mahdollistaa suuren ensiövirran edustamisen paljon pienemmällä toisiovirralla.
Ensisijainen ja toissijainen puoli
Virtamuuntajalla on kaksi sähköistä pääpuolta: ensiöpuoli ja toisiopuoli.
Ensiöpuoli on kytketty tai muodostettu johtimeen, joka kuljettaa mitattavaa virtaa.
Toissijainen puoli on kytketty mittalaitteisiin, energiamittareihin, valvontalaitteisiin tai suojareleisiin.
Esimerkiksi 400/5A CT on suunniteltu siten, että noin 400A ensiövirta vastaa noin 5A toisiovirtaa nimellisolosuhteissa.
Mittauslaite voi siis mitata 5A toisiovirran ja käyttää CT-suhdetta vastaavan ensiövirran määrittämiseen.
Magneettinen ydin
Magneettinen ydin on keskeinen osa CT:n toimintaperiaatetta.
Ydin tarjoaa alhaisen-reluktanssipolun ensiövirran synnyttämälle magneettivuolle. Toisiokäämi sijoitetaan sydämen ympärille niin, että magneettivuon muutokset voivat aiheuttaa virran toisiokäämiin.
Ytimen materiaali ja rakenne vaikuttavat tärkeisiin CT-ominaisuuksiin, kuten tarkkuuteen, viritysvirtaan ja kyllästymiskäyttäytymiseen.
Mittaussovelluksissa sydän on yleensä suunniteltu tarjoamaan tarkka virran muunnos määritellyllä mittausalueella.
Suojaussovelluksissa CT tarvitsee ominaisuudet, jotka sallivat sen antaa sopivan virtasignaalin vikatilanteissa.
Nykyinen muutos
Toisin kuin perinteinen jännitemuuntaja, CT on erityisesti suunniteltu muuntamaan virtaa.
Ensiövirta tuottaa magneettivuon, ja tämä vuo tuottaa toisiovirran, joka on suunnilleen verrannollinen ensiövirtaan normaaleissa käyttöolosuhteissa.
Harkitse esimerkiksi 1000/5A CT:tä.
Kun ensiövirta on 1000A, toisiovirta on noin 5A nimellisolosuhteissa.
Jos ensiövirta on 500A, toisiovirta on noin 2,5A.
Mittauslaitteisto voi sitten käyttää tunnettua CT-suhdetta laskeakseen todellisen ensiövirran.
On tärkeää ymmärtää, että CT ei vähennä ensiöpiirin läpi kulkevaa todellista virtaa. Se luo matalamman virtasignaalin toisiopuolelle mittausta ja suojausta varten.
Miksi toissijainen virta kulkee?
Toisiovirta virtaa, koska CT-ytimen magneettivuo muuttuu ensisijaisen vaihtovirran muuttuessa.
Sähkömagneettisen induktion mukaan muuttuva magneettikenttä indusoi sähköjännitteen johtimeen.
Kun CT-toisiopiiri on kytketty sopivaan kuormaan, indusoitu jännite ohjaa toisiovirran tämän piirin läpi.
Toisiovirta luo oman magneettisen vaikutuksensa, joka vastustaa ydinvuon muutoksia. Tämän vuorovaikutuksen ansiosta muuntaja voi ylläpitää ensiö- ja toisiovirtojen välistä suhdetta.
CT-suhde ja kierrosten määrä
Ensiö- ja toisiokierrosten välinen suhde määrää virran muunnossuhteen.
Monissa TT-malleissa ensisijaisella voi olla vain yksi tehokas käännös, kun taas toissijaisessa on useita kierroksia.
Esimerkiksi jos CT:ssä on yksi tehollinen ensiökierros ja 100 toissijaista kierrosta, nykyinen muunnossuhde voi olla noin 100:1.
Tämä sallii 500 A:n ensiövirran tuottaa noin 5 A toisiovirran nimellisolosuhteissa.
Tarkka suhde riippuu CT-suunnittelusta ja sen käyttöolosuhteista.
Sähkömagneettinen tasapaino
Hyödyllinen tapa ymmärtää CT-toimintaa on magneettinen tasapaino.
Primäärivirta tuottaa magnetomotorisen voiman ytimeen. Toisiovirta tuottaa vastakkaisen magnetomotorisen voiman.
Normaaleissa käyttöolosuhteissa CT toimii siten, että nämä magneettiset vaikutukset säilyttävät sopivan tasapainon siirtäen samalla energiaa magneettikentän läpi.
Yksinkertaistettu suhde on:
Np × Ip ≈ Ns × Is
Tämä suhde selittää, miksi CT, jossa on useita toisiokierroksia, voi tuottaa paljon pienemmän toisiovirran.
Todellinen CT-suorituskyky sisältää magnetointivirran ja muut ei--ihanteelliset vaikutukset, joten käytännön suhde ei ole täysin ihanteellinen.
Herätysvirta
Kaikki ensiövirta ei siirry täydellisesti toisiopiiriin.
CT-ytimen magnetoimiseen tarvitaan pieni osa virrasta. Tätä kutsutaan yleisesti magnetointi- tai magnetointivirraksi.
Herätysvirta myötävaikuttaa ideaalisen ja todellisen CT-muunnossuhteen eroon.
Normaaleissa käyttöolosuhteissa oikein valittu CT pitää nämä vaikutukset määritetyissä tarkkuusvaatimuksissaan.
Ytimen viritysominaisuudet ovat erityisen tärkeitä arvioitaessa CT-tarkkuutta ja kylläisyyttä.
CT-kylläisyys
Kyllästyminen tapahtuu, kun CT-ytimen magneettivuo tulee liian suureksi, jotta ydin voi säilyttää normaalin magneettisen suhteensa.
Tämä voi tapahtua korkean{0}}virtavikatilanteen aikana tai kun toisiopiirin kuormitus on liian suuri CT:lle.
Kun kyllästyminen tapahtuu, toisiovirta ei ehkä enää toista tarkasti ensiövirtaa.
Tuloksena oleva aaltomuodon vääristymä voi vaikuttaa mittauslaitteisiin ja suojareleisiin.
Suojaus-CT:t valitaan siksi odotettavissa olevien{0}}vikatilanteiden ja vaaditun suojaustehokkuuden mukaan.
Taakka ja toimintaperiaate
CT-toisiopiirissä on taakka, joka koostuu liitetyistä mittaus- tai suojalaitteista sekä CT:n ja näiden laitteiden välisestä johdosta.
CT:n on kehitettävä riittävä toisiojännite ohjaamaan vaadittu toisiovirta tämän taakan läpi.
Jos taakka on liian suuri, CT saattaa vaatia korkeamman toisiojännitteen. Tämä voi lisätä magneettivuoa ytimessä ja mahdollisesti siirtää CT:tä lähemmäksi kylläisyyttä.
Siksi taakka on tärkeä tekijä käytännön TT-toiminnassa.
Mittaus- ja suojaussovellukset
CT:n toimintaperiaate on sama sähkömagneettinen perusperiaate sekä mittaus- että suojaussovelluksissa, mutta CT-ominaisuudet voivat olla erilaisia.
Mittaus-CT on suunniteltu antamaan tarkat virtatiedot mittareille ja energiamittauksille.
Suojaus-CT on suunniteltu antamaan sopivia virtasignaaleja suojareleille, erityisesti epänormaaleissa ja vikatilanteissa.
Siksi sopiva TT tulee valita aiotun sovelluksen mukaan.
Turvallisuusnäkökohdat
Virtamuuntajat vaativat erityistä huomiota käytön ja huollon aikana.
Kun ensiövirta kulkee, CT-toisioyksikköä ei saa jättää avoimeksi-kytketyksi, elleivät laitteet ja menettelyt ole erityisesti suunniteltu tätä tilaa varten.
Avoin CT-sekundaari voi tuottaa vaarallisen jännitteen, koska muuntaja saa edelleen jännitteen ensiövirralla.
Ennen toisiojohdotuksen irrottamista on noudatettava valmistajan määrittämiä asianmukaisia menettelyjä, mukaan lukien hyväksytyt oikosulkujärjestelyt tarvittaessa.
CT-asennuksen, maadoituksen, testauksen ja huollon tulee myös noudattaa soveltuvia sähköturvallisuusvaatimuksia.
Johtopäätös
Virtamuuntajan toimintaperiaate perustuu sähkömagneettiseen induktioon. Ensiövirta tuottaa magneettivuon CT-ytimeen, ja muuttuva vuo indusoi toisiovirran, joka on suunnilleen verrannollinen ensiövirtaan CT-suhteen mukaan.
Magneettiydin, käämien järjestely, viritysvirta, kuormitus ja kyllästysominaisuudet vaikuttavat kaikki muuntajan todelliseen suorituskykyyn.
CT ei fyysisesti vähennä ensiöpiirin läpi kulkevaa virtaa. Sen sijaan se tuottaa pienemmän toisiovirtasignaalin, jota voidaan turvallisesti ja kätevästi käyttää mittaus- ja suojauslaitteissa.
Ymmärtämällä sähkömagneettisen induktion, CT-suhteen, magneettisen tasapainon, kuormituksen ja kylläisyyden käyttäjät voivat paremmin valita ja käyttää virtamuuntajia sähkömittaus-, tehonjakelu- ja suojajärjestelmissä.