ترانسهاي جريان(Current Transformers)

[Engineer Power]

ترانسهاي جريان(Current Transformers)
همانطور كه مي دانيم دستگاههاي اندازه گيري جريان به صورت سري در مدار قرار مي گيرند.در جريانهاي پايين جهت اندازه گيري جريان، آمپرمتر به طور مستقيم در مدار قرار مي گيرد.شكل 1

اين آمپرمترها در سطح ولتاژ پايين(Low Voltage) و جريان هاي كم، كاربرد مستقيم دارند.و در ولتاژها و جريان هاي بالا قابل استفاده نمي باشند. لذا توسط ترانسفورماتورهاي اندازه گيري، سطح ولتاژ و جريان را تا اندازه اي كاهش مي دهند كه بتوان از دستگاه هاي اندازه گيري براي خواندن جريان يا ولتاژ استفاده نمود.

در اينجا فقط ترانس جريان (CT) مورد بررسي قرار خواهد گرفت.
تعريف: ترانس جريان، نوعي از ترانس است كه اوليه آن از يك يا چند حلقه تشكيل شده و ثانويه آن به گونه اي طراحي مي شود كه جريان سيستم قدرت را به مقداري مناسب جهت استفاده در دستگاه هاي اندازه گيري و حفاظتي تبديل كرده، ضمن اينكه سيستم اندازه گيري يا حفاظتي را از سيستم قدرت ايزوله كند.
مقدار جريان خروجي (ثانويه) CT مطابق استاندارد IEC 185 (سال 1966) 1،2 و 5 آمپر مي باشد. البته 1و5 آمپر متداول تر است. مقدار جريان ورودي (اوليه) 10، 12.5، 15، 20، 25، 30، 40، 50 ،60 و 75 آمپر و مضارب 10 مقادير ذكر شده است.
در سطح ولتاژهاي بالا بهتر است از CT-هايي با ثانويه 5 آمپر استفاده گردد تا ميزان ولتاژ القايي در ثانويه در مواقع OC (مدار باز) كمتر شود و به CT، مدارات، دستگاهها و شخص آسيب كمتري وارد شود.
نسبت تبديل يك CT برابر است با I1/I2 و عموماً CT-ها با همين مشخصه شناخته مي شوند. مثلاً CT هزار به يك 1000/1A.
ترانس جريان بسته به نياز مي تواند بيش از يك هسته ثانويه داشته باشد.( تا ۶ هسته ). اين ثانويه ها براي استفاده در دستگاه هاي اندازه گيري يا حفاظتي بكار مي روند. شكل 2 شماي ساده اي از يك ترانس جریان را نشان مي دهد.

شکل ۲​

ترمينال هاي ورودي معمولاً با حروف بزرگ K و L (ياP1 و P2) و ترمينال هاي ثانويه با حروف كوچك k و l (يا S1 و S2) مشخص مي شوند.
يك سوال: با توجه به فرمول اساسی ترانسها (N1/N2=V1/V2=I2/I1) در حالت ايده ال به هر ميزان جريان ثانویه CTيك كاهش يابد، به همان اندازه ولتاژ ثانويه افزايش مي يابد. حال در يك سيستم فشار قوي –مثلاً 132KV با فرض جريان 1000 آمپر- آيا براي يك CT 1000/1 در ثانويه ولتاژي برابر با
1000*132kv=132MV خواهيم داشت؟
جواب: مسلماً پاسخ منفي است. براي درك بهتر مسئله به شكل 3 نگاه كنيد. ولتاژ اوليه CT، برابر با ولتاژ خط نيست بلكه برابر با حاصلضرب جريان عبوري از اوليه در ميزان مقاومت آن قسمت از هادي است كه از درون ثانويه CT عبور مي كند. مقدار اين مقاومت بسيار بسيار ناچيز است و طبق رابطه V=RI، مقدار ولتاژ دو سر اوليه CT مقداري در حد ميلي ولت است. و بنابراين ولتاژ القاء شده در ثانويه CT در حد چندين ولت است. البته موارد ذكر شده مربوط به زمانيست كه ثانويه CT اتصال باز نباشد.

شکل ۳
نكته بسيار مهم: هيچوقت ترمينالهاي ثانويه يك CT را باز باقي نگذاريد و ترمينالهاي بدون استفاده را اتصال كوتاه كنيد.و همچنين در هنگام تعمير دستگاه وصل شده به ثانويه لازم است قبل از بيرون آوردن آن،ابتدا ثانويه را اتصال كرد.و پس از جايگذاري مجدد، اتصال كوتاه را برداشت. اين نكته را در تمامي مواقع به خاطر داشته باشيد.اما دليل اين امر چيست؟
همانطور كه مي دانيم در ترانسفورماتورها، جريان اوليه تابعي از جريان ثانويه است. يعني به نسبت باري كه به ثانويه ترانس متصل است جرياني از ثانويه عبور كرده و با توجه به نسبت تبديل ترانس، به همان نسبت جرياني از اوليه نيز خواهد گذشت. يعني اگر از جريانهاي نشتي و بي باري و ... صرف نظر كرده و ترانس را ايده ال در نظر بگيريم، زماني كه باري به ثانويه وصل نيست، از اوليه نيز جرياني عبور نخواهد كرد. اما از آنجا كه ترانسهاي جريان(CT-ها) به صورت سري در مدار قرار مي گيرند، همواره عبور جريان از اوليه را خواهيم داشت،و متعاقب آن آمپردوري در اوليه توليد خواهد شد اما از آنجا كه در ثانويه باري وجود ندارد پس جرياني از آن نمي گذرد و در نتيجه آمپر دوري نيز وجود ندارد كه با آمپر دور اوليه مخالفت كند . بنابراين فلو ( (φ=NI/R در طرف اوليه بالاتر رفته و اين افزايش فلو باعث ايجاد ولتاژ بسيار بزرگي(در حد چندين كيلو ولت) در ثانويه و همچنين گرم شدن هسته مي شود و اين امر سبب بروز جرقه در ثانويه يا حتي انغجار CT مي گردد.
لازم است كه ترمينالهاي يكCT با پلاريته صحيح بسته شوند. زيرا در صورت وصلCT با پلاريته اشتباه در CT-هاي اندازه گير به وجود آمدن خطا در اندازه گيري و در CT-هاي حفاظتي بوجود آمدن سيگنالهاي نا منظم را خواهیم داشت.
رانس هاي جريان از نظر هسته به دو نوع تقسيم مي شوند : 1- ترانس هاي جريان با هسته اندازه گيري: هسته اين نوع CT-ها بايد در جريان هاي اتصال كوتاه سریعاً به اشباع رفته و مانع از ازدياد جريان در ثانويه و در نتيجه مانع سوختن و صدمه ديدن دستگاه هاي اندازه گيري شوند. این گونه ترانس هاي جريان می بایست در جريان نامي و مقادیر نزدیک به آن از دقت لازم برخوردار باشند. 2- ترانس هاي جريان با هسته حفاظتي: این گونه هسته ها باید به گونه ای طراحی شوند که ديرتر به اشباع رفته تا بتوانند متناسب با افزايش جريان در اوليه ، آن را در ثانويه ظاهر كرده و در جريانهاي اتصال كوتاه هم بتوانند دقت لازم را داشته باشند تا با تشخيص اين اضافه جريان در ثانويه توسط رله هاي حفاظتي فرمان قطع يا تريپ به كليدهاي مربوطه داده تا قسمتهاي اتصالي شده و معيوب از شبكه جدا شوند. این هسته ها سه گونه مختلف دارند: الف) هسته های حفاظتی a P b ( جهت حفاظت اضافه جریان و Earth fault) ب) هسته های کلاس X ( برای حفاظت دیفرانسیل و Restricted earth fault) برای این نوع هسته ها بردن تعریف نمی شود و در هنگام تست CT باید مقاومت ثانویه را اندازه گیری کنیم تا از حد مجاز تعیین شده بیشتر نباشد. ج) هسته های شکاف هوایی(TPy,TPz,TPc) : این هسته ها جهت رله اتوریکلوزر ، جهت خطاهای گذرا همانند رعد و برق مورد استفاده قرار می گیرند. تعاریف مربوط به ترانس جریان جریان نامی: مقدار جریانهای اولیه و ثانویه است که ترانس جریان بر اساس آن طراحی و ساخته شده است. جریانی که در حالت عادی از اولیه CT می گذرد می تواند تا 1.2 برابر جریان نامی اولیه باشد.ولی بهتر است این جریان به جریان نامی اولیه CT نزدیک باشد. مقادیر نامی جریانهای نامی اولیه و ثانویه را در قسمت اول ملاحظه فرمایید. بردن(burden): بردن عبارتست از مجموع کل امپدانسهای تجهیزات وصل شده به ثانویه CT (شامل دستگاه های اندازه گیری یا حفاظتی، کابلهای ارتباطی). مقدار بردن با ولت آمپر مشخص می گردد.مثلاً برای بک CT با نسبت تبدیل 1000/1 و cos j=0.8پسفاز و بردن 30 VA داریم:

30VA/1A=30A=Vولتاژ دو سر بار​

|Z|=30V/1A=30 W امپدانس بار​

Z=30Ðcos[SUP]-1[/SUP]0.8=24+j16​

نسبت تبدیل نامی: نسبت جریان نامی اولیه CT به جریان نامی ثانویه آن​

جریان حرارتی(thermal)Ith: عبارت است از مقدار جریانی که به اولیه ترانس جریان، به مدت یک ثانیه اعمال می شود و از نقطه نظر حرارتی مشکلی برای آن بوجود نمی آید.​

جریان دینامیکی:حداکثر جریانیست که از اولیه CT می گذرد و از نقطه نظر نیروی مکانیکی اعمال شده، CT با مشکل مواجه نخواهد شد.میزان این جریان معمولاً 2.5 برابر Ith می باشد. ​

توان نامی: میزان توانی است که یک CT در جریان و بردن نامی به مدار ثانویه تحویل می دهد. طبق استاندارد مقادیر این توان عبارتند از: 2.5، 5، 10، 15، 30 ولت آمپر. البته در کاربردهای خاص مقادیر بزرگتری نیز وجود دارند( مثلاً 50VA).​

خطای نسبت تبدیل(Ratio error): میزان انحراف جریان ثانویه از مقدار تئوری، به ازای یک جریان مشخص اولیه می باشد.
​

=نسبت تبدیل نامی

K[SUB]n[/SUB]I[SUB]p[/SUB]= جریان موثر اولیه
​

I[SUB]s[/SUB]= جریان موثر ثانویه​

%=((K[SUB]n[/SUB]I[SUB]s[/SUB]-I[SUB]p[/SUB])/ I[SUB]p[/SUB])*100=[I[SUB]s[/SUB]-(I[SUB]p[/SUB]/K[SUB]n[/SUB])/( I[SUB]p[/SUB]/K[SUB]n[/SUB])]*100=(I[SUB]s[/SUB]-I’[SUB]p[/SUB])/ I’[SUB]p[/SUB])*100خطای نسبت تبدیل​

خطای جابجایی فاز(Phase displacement error): اختلاف فاز بین جریانهای اولیه و ثانویه یک ترانس جریان بر حسب رادیان می باشد. در صورتی که خطایی وجود نداشته باشد این مقدار برابر با صفر است.(نه 180 درجه)​

خطای مرکب(Composite error): خطایی است که هم دامنه و هم فاز را تحت تاثیر قرار می دهد.​

نقطه اشباع یا نقطه زانو(Knee point): نقطه ایست که در آن به ازای 10% افزایش در ولتاژ ، جریان به اندازه 50% تغییرات داشته باشد.​

جریان حد دقت(Accuracy limit current): حداکثر جریانی که از نقطه نظر خطای مجاز (خطای مرکب) می توان به CT اعمال کرد را جریان حد دقت می گویند. به عبارت دیگر بالاترین حد جریان اولیه که با در نظر گرفتن خطای مرکب می تواند به ثانویه انتقال یابد.​

ضریب حد دقت: نسبت جریان حد دقت اولیه به جریان نامی اولیه را گویند.​

کلاس دقت: برای CT اندازه گیری عبارت است از حداکثر خطای جریان مجاز در جریان نامی بر حسب درصد. برای CT-های اندازه گیر این کلاس ها عبارتند از:0.1 ، 0.2 ،0.5 ، 1 ، 3 و 5 .به عنوان مثال كلاس دقت CL=1 يعني1 % خطا در جريان نامي​

برای CT-های حفاظتی عبارتست از حداکثر خطای مرکب مجاز در دقت نامی حدجریان اولیه و با حرف P نمایش داده می شود.و طبق استاندارد شامل 5P,10P و 15P می باشد. ​

براي هسته هاي حفاظتي درصد خطاي جريان را بصورت a P b بيان مي كنند. مثلا 20P5 . و این بدین معناست که در b برابر جریان نامی خطای مرکب کمتر از a% باشد.( در 20 برابر جریان نامی حداقل خطا 5%) برای هسته های نوع x : پارامترهای اساسی این نوع هسته ها عبارتند از: ولتاژ در نقطه اشباع، جریان مغناطیس شوندگی در نقطه اشباع و حداکثر مقاومت اهمی سیم پیچ

ضریب ایمنیSecurity factor: عبارتست از نرخ جریان اولیه محدود به جریان اولیه نامی. بنابراین یک SF بالا نشان دهنده یک تغییر زیاد از جریان اولیه باشد که می تواند به تجهیزات وصل شده به ثانویه آسیب وارد نماید. بنابراین این مقدار باید پایین نگه داشته شود تا فقط جریانهایی در حد جریان نامی اندازه گیری شوند، نه جریانهای خطا.​

انواع ترانس جریان از نظر ساختمانی :

1- نوع حلقوی

2- نوع قالبی یا رزینی (Casting Resin)

3- نوع بوشینگی (Bushing Type)

4- CT های هسته بالا AOK(Top Core)​

5- CT های هسته پایین (Tank Type)​

نوع حلقوی: در این نوع CT-ها هادی حامل ولتاژ اولیه از درون یک حلقه مانند که در واقع ثانویه CT است عبور می کند. و به CBCT مشهور هستند. گاهی اوقات به این نوع ترانسها، ترانسهای جریان پنجره ای می گویند.​

نمونه هایی از ترانس های جریان نوع حلقوی ( پنجره ای)​

ترانس جریان نوع قالبی Bar primary : در مکان هایی که استفاده از نوع حلقوی مشکل باشد از این نوع CT استفاده می گردد. در این حالت اولیه به صورت یکپارچه با CT قرار دارد.از این نوعCT ها بیشتر در مناطق گرمسیری به منظور جلو گیری از نفوذ رطوبت و گرد و خاک به داخل CT استفاده می شود.​

دو نمونه ترانس جریان قالبی
​

​

نوع بوشینگی: از این نوع ترانس جریان در هر نوع تجهیزاتی که دارای شیلد زمین شده در اطراف هادی جریان باشند می توان استفاده نمود. در این نوع CT-ها هسته و سیم پیچ ثانویه در داخل بوشینگ تجهیزات قرار داشته و از هادی داخل بوشینگ بعنوان سیم پیچ اولیه ترانس جریان استفاده می گردد .​

از CT های نوع بوشینگی دردستگاه هایی نظیر کلید های فشار قوی از نوع DETUNK TYPE و یا بوشینگ راکتور ها به منظور صرفه جویی در هزینه های ساخت استفاده می شود .​

ترانس جریان نوع بوشینگی
​

ترانس جریان با هسته بالا AOK: هادی اولیه در این نوع ترانس جریان 400 کیلو ولت روغنی هسته بالا، میله ای راست و کوتاه با تلفات حرارتی بسیار کم می باشد. استفاده از این نوع CT-ها در ولتاژهای بالاتر از 330 کیلو ولت بدلیل طراحی اقتصادی از سابر مدل ها ارزانتر است. در این ترانس مسیر طی شده توسط سیم پیچ اولیه در داخل ترانس کوتاه ترین مسیر بوده و طراحی آن به گونه ایست که سیم پیچ ثانویه با کمترین فاصله هوایی پیرامون هسته پیچیده شده و هادی اولیه از وسط این حلقه عبور می کند. ضمن این دو سیم پیچ با عایق بندی مناسبی از هم ایزوله می باشند .

به منظور جلوگیری از انقباض و انبساط روغن در اثر تغییرات درجه حرارت ناشی از تغییرات بار شبکه از گاز نیتروژن یا دیافراگم ارتجاعی با لاستیکی در بالای CT استفاده می شود .

ترانس جریان هسته پایین (tank type (IMB)): هادی اولیه این نوع ترانس جریان روغنی از نوع Hair Pin است و مخزن مربوطه از نظر فضای مورد نیاز هسته ها بسیار انعطاف پذیر می باشد.​

با استفاده از کاغذ عایق مناسب در عایق پیچی هادی اولیه، تلفات عایقی بسیار کم بوده و در نتیجه استقامت عایقی و مقاومت در برابر پیرشدگی Ageing افزایش یافته است.دراین نوع ترانس هادی اولیه به شکل U درون بوشینگ قرار گرفته است. عایق پیچی هادی اولیه آنرا از سیم پیچ ثانویه که با حداقل فاصله هوای روی هسته پیچیده شده ایزوله می نماید و فاصله بین این دو سیم پیج نیز با روغن پر می شود.
به منظور انقباض و انبساط روغن در اثر تغییرات بار شبکه از بالشتک های ارتجاعی لاستیکی ( دیافراگم ارتجاعی )‌ یا گاز نیتروژن استفاده می گردد .​

تست CT
به منظور تاييد صحت عملكرد تجهيزات الكتريكي تستهايي بر روي آنها انجام مي شود. برخي از اين تستها در كارخانه و برخي از آنها در تاسيسات و در مرحله پيش راه اندازي (Pre commissioning) صورت مي گيرند.
تست هاي مربوط به ترانس جريان (CT) در تاسيسات:
این تست ها شامل موارد زير می باشد:
Visual check شامل موارد زير است:
بررسي ظاهر CT و خواندن وچک کردن Data Plateترانس جریان، صحت نصب و كانكشن CT، عدم كمبود پيچها و به خصوص پيچ مربوط به Earth
در تصوير روبرو (شكل 1) نمايي از يك ترانس جريان نوع قالبي كه بيشتر در فيدر ها و سوئيچ گيرها مورد استفاده قرار مي گيرد را مشاهده مي كنيم. ثانويه CT توسط پيچ Earth به شين Earth وصل مي شود.اين پيچ پشت يكي از پيچهاي Connection ثانويه قرار گرفته است.

Megger Test: اين تست براي تعيين مقاومت عايقي بین اولیه و ثانویه (ها) ، اولیه و زمین ، ثانویه ها و زمین و سيم پيچهاي مختلف ثانويه با هم انجام مي گيرد. مقدار ولتاژ اعمالي 500V مي باشد. لازم به ذكر است قبل از انجام اين تست بايد Earth از سمت ثانويه باز شود.
تست نسبت تبديل Ratio Test:
روش 1:در اين حالت ثانويه هاي تمامي هسته هاي CT را اتصال كوتاه كرده و توسط دستگاه تزريق جريان (Current Injection Set)،جریانی برابر جریان نامی به اولیه CT اعمال نموده و مقدار جريان به دست آمده در سمت ثانویه را یادداشت می کنند. براي خواندن اين جريان از آمپرمتر كلمپي استفاده مي گردد. خطاي اندازه گيري را طبق فرمول زير به دست مي آورند:
Ratio error % = [(rated ratio – Measured Ratio) * 100)] / (rated ratio)

​

روش 2: در اين روش مداري مانند شكل 2 مي بنديم. نسبت تبديل از رابطه A1/A2 به دست مي آيد. مقدار A3 نشان دهنده جريان نشتي است.

​

Polarity Test & continuity test: طبق قرارداد مي دانيم اگر جريان از سر نقطه دار اوليه يك ترانس وارد شود از سر نقطه دار ثانويه آن خارج مي گردد. يعني اگر جريان از سر P1 وارد شود از سر S1 خارج مي شود. برای انجام این کار مطابق شکل یک ولتاژ DC، (9 V)به صورت لحظه ای به اولیه اعمال کرده و با توجه به جهت حرکت عقربه گالوانومتر (يا مولتيمتر آنالوگ داراي نقطه صفر مركزي central Zero scale)، پلاریته CT تعیین می گردد. براي داشتن پلاريته صحيح در لحظه بستن كليد انحراف عقربه به سمت راست و در لحظه باز كردن آن به سمت چپ خواهد بود. و بطور كلي حركت عقربه، نشانه پيوستگي سيم پيچي هاست.

نكته: لازم است كه ترمينالهاي يك CT با پلاريته صحيح بسته شوند. زيرا در صورت وصل CT با پلاريته اشتباه در CT-هاي اندازه گير باعث به وجود آمدن خطا در اندازه گيري و در CT-هاي حفاظتي باعث بوجود آمدن سيگنالهاي نا منظم مي گردد. البته اگر رله وصل شده به ثانويه جهتي(directional) نباشد، ديگر پلاريته اهميت ندارد. مثل رله تشخيص جريان توالي صفر كه به ثانويه CT كوربالانس(Core balance) وصل مي شود.

تعيين مقاومت اهمي سيم پيچ ثانويه: از آنجا كه مقدار اين مقاومت پايين است ميتوان با استفاده از دستگاهي مانند پل وتستون آنرا محاسبه نمود. اندازه گيري اين مقاومت براي هسته هاي حفاظتي كلاس X ضروري است.
پس از انجام تست هاي فوق كابل يا پيچ Earth را مي بنديم.و مطابق شكل در CT –هاي چند Core به كانكشن هاي داخلي مربوط به ترمينال هاي ثانويه نيز توجه مي كنيم.

​

در صورتي كه در طراحي CT ذكر شده باشد تست هاي زير نيز انجام خواهند شد:
تست دي الكتريك: بر اساس استاندارد تست دي الكتريك با اعمال ولتاژ ۱۰۰۰ ولت به مدت يك دقيقه و فقط براي ولتاژهاي كمتر از 60 V صورت مي گيرد. و چون در تست Megger ولتاژ 500 V اعمال شد، ديگر نيازي به انجام اين تست نيست.
منحني مغناطيس شوندگي: براي انجام اين تست به تجهيزات زير نياز داريم:

1. آمپرمتر آنالوگ كلاس 0.5 يا 1
2. ولتمتر آنالوگ كلاس 0.5 يا 1
3. ترانس ولتاژ PT
4. منبع تغذيه متغير 0-240 V و حداقل 10 آمپر جريان

ابتدا مداري مانند شكل زير مي بنديم:

با باز گذاشتن بريكر اصلي، جريان را به سمت ثانويه ترانس جريان اعمال مي كنيم.
هدف از انجام اين تست به دست آوردن ولتاژ نقطه زانو(Knee point) و مقايسه آن با مقدار تعيين شده توسط كارخانه است.همانطور كه در قسمت دوم اشاره شد نقطه اشباع (زانو) نقطه ایست که در آن به ازای 10% افزایش در ولتاژ، جريان مغناطيس كنندگي به اندازه 50% تغییرات داشته باشد. منحني تحريك تا نقطه اي كه در آن به ازاي10% افزايش ولتاژ، 100% افزايش جريان داشته باشيم، ادامه مي يابد.
نكته: پس از انجام تست ولتاژ را به تدريج كم كرده و سپس منبع تغذيه را جدا مي كنيم.زيرا يك تغيير ناگهاني در فلو (شار) مي تواند باعث توليد ولتاژي در سمت ثانويه گردد كه اين ولتاژ براي آسيب رسانيدن به ايزولاسيون سيم پيچ ثانويه كافيست.
مثال براي يك CT با نسبت تبديل 500/1 و ولتاژ نقطه زانو V[SUB]K[/SUB]=420 V

ولتاژ نقطه زانو و ماكزيمم جريان I[SUB]e[/SUB] از روابط زير به دست مي آيند:
V[SUB]K[/SUB] =2 I[SUB]f[/SUB] (R[SUB]P[/SUB]+R[SUB]s[/SUB])
I[SUB]e[/SUB] =(I[SUB]s[/SUB]-I[SUB]r[/SUB])/n

If= جريان ثانويه در ماكزيمم جريان خطا

I[SUB]s[/SUB]=
I[SUB]r[/SUB]= جريان ستينگ رله
R[SUB]s[/SUB]= مقاومت سيم پيچ ثانويه CT
R[SUB]P[/SUB]= مقاومت هادي بين رله و CT
N= شماره گروه حفاظتي CTكه بسته به نوع حفاظت و نوع باسبار دارد:
N=2: براي حفاظت ديفرانسيل ماشين يا ترانسفورماتور
N=3: براي حفاظت REF (Restricted Earth Fault) در سيم پيچهاي مثلث
N=4: براي حفاظت REF (Restricted Earth Fault) در سيم پيچهاي ستاره