Двете основни типа инструментални трансформатори в електроенергийната система.

I. Напълнителен трансформатор (VT)

Напълнителният трансформатор (потенциален трансформатор, съкращено PT; напълнителен трансформатор, съкращено VT) е електрическо устройство, използвано за преобразуване на нивата на напрежението в електроенергийните вериги.

1. Принцип на действие

Напълнителният трансформатор работи по принципа на електромагнитната индукция и има конструкция, подобна на тази на стандартния трансформатор, състояща се основно от първична обмотка, вторична обмотка и ядро. Първичната обмотка е свързана паралелно с измерваната високонапрежна верига и разполага с голям брой витки.

Вторичната обмотка, с по-малко витки, е свързана с измервателни прибори, защитни реле и други натоварвания. При нормални условия на работа вторичната страна е приблизително в състояние на отворена верига. Според закона за електромагнитната индукция, отношението между първичното и вторичното напрежение е равно на отношението на броят на витките (U₁/U₂ = N₁/N₂). Това позволява високото напрежение да бъде пропорционално намалено до стандартизирано ниско напрежение (типично 100V или 100/√3 V), което прави измерването и защитата безопасни и подходящи.

Електрическият символ му е следният:

2. Функции

• Измерване на напрежението: Намалява високите системни напрежения до стандартизирани ниски напрежения (например 100V или 100/√3 V) за използване от волтметри, енергиен метри и други измервателни прибори, осигурявайки реално време за наблюдение на напрежението в електроенергийната система.
• Релейна защита: Предоставя надеждни сигнали за напрежение към защитни реле за функции като прекомерно напрежение, недостиг на напрежение и други защитни функции. Когато се случат аномалии в напрежението, защитната система реагира бързо, активирайки командата за изключване, за да изолира дефектната верига и да гарантира безопасността на системата и оборудването.
• Енергиен учет и фактуриране: Работи в съчетание с енергиен метри, за да извършва точни измервания на потребителската мощност в високонапрежните вериги. Това служи като важна основа за фактуриране и енергиен расчет.

3. Характеристики

• Висока точност: Измервателните напълнителни трансформатори имат високи класове на точност (например 0.2, 0.5), за да гарантират точни измервания на напрежението и енергията. Защитните VT се концентрират върху бързия отговор и имат относително по-ниски класове на точност (например 3P, 6P).
• Високи изолационни изисквания: Високонапрежните VT трябва да издържат високи оперативни напрежения и често използват масло-замачкано, SF₆ газ или твърдо резиново изолация, за да гарантират стабилна и надеждна работа. Нисконапрежните VT най-често са сухи, с проста конструкция и лесно поддържаеми.
• Вторичната страна не трябва да бъде замкната: Замикване на вторичната страна може да генерира изключително високи токове, които могат да прекалеят и унищожат обмотките. Ето защо вторичната верига трябва да бъде защитена с предпазители или миниатюрни автоматични предпазители.

4. Приложни сценарии

• Високонапрежни приложения: Подходящи за предавателни линии и подстанции с напрежения от 1 kV и по-високо (например 10 kV, 35 kV, 110 kV системи). Използват се за мониторинг на напрежението на шините или линиите и за предоставяне на вход към защитните системи, за да се гарантира безопасна и стабилна работа на мрежата.
• Нисконапрежни приложения: Приложими за разпределителни системи под 1 kV (например 220V домашни вериги, 380V индустриални системи). Често се инсталират в нисконапрежни щитове за мониторинг на напрежението на потребителската страна или за свързване с енергиен метри за измерване на мощността.

II. Токов трансформатор (CT)

Токов трансформатор (CT), известен също като токов преобразувател, е измервателен трансформатор, който при нормални условия на работа произвежда вторичен ток, който е пропорционален на първичния ток, с фазово различие, което приближава нулата, когато е коректно свързан.

1. Принцип на действие

Токовият трансформатор работи по принципа на електромагнитната индукция и има конструкция, подобна на тази на стандартния трансформатор, състояща се от първична обмотка, вторична обмотка и магнитно ядро. Първичната обмотка е свързана поредно с измерваната верига и разполага с много малко витки (понякога само една витка), носеща високия първичен ток.

Вторичната обмотка, с много повече витки, е свързана поредно с измервателни прибори, защитни реле и други натоварвания, формирайки затворена верига. При нормална работа вторичната страна е приблизително в състояние на замкната верига. Според електромагнитната индукция, отношението между първичния и вторичния ток е обратно пропорционално на отношението на броят на витките (I₁/I₂ = N₂/N₁). Това позволява големите токове да бъдат пропорционално намалени до стандартизирани ниски токове (типично 5A или 1A), което облекчава измерването, мониторинга и защитата.

Електрическият символ му е следният:

Отношението между първичния и вторичния номинален ток на токовия трансформатор се нарича токов преобразувателен коефициент (Ke). Изразът за токовия преобразувателен коефициент е:

Бележка:

• W₁, W₂ са броят на витките в първичната и вторичната обмотка на трансформатора, съответно;
• I₁ₑ, I₂ₑ са номиналните токове на първичната и вторичната обмотка, съответно;
• I₁, I₂ са действителните токове в първичната и вторичната обмотка, съответно.

2. Функции

• Измерване на тока: Намалява високите първични токове до стандартизирани ниски вторични токове (например 5A или 1A), позволявайки на амперметри, енергиен метри и други прибори да мониторират тока на натоварване в реално време.
• Релейна защита: Предоставя токови сигнали към защитни реле за функции като прекомерен ток, диференциална и дистанционна защита. Когато се случат дефекти като замиквания или прекомерно натоварване, защитната система активира сигнал за изключване, за да прекъсне електропитанието, предотвратявайки повреди на оборудването и нестабилност на системата.
• Електрическа изолация: Предоставя галванична изолация между високонапрежната/високотокова първична верига и нисконапрежните вторични вериги, използвани за измерване, управление и защита. Това гарантира безопасността на персонала и вторичното оборудване.

3. Характеристики

• Висока надеждност: Трябва да издържа високи механични и термични стресове при замиквания. CT са проектирани с отлична динамична и термична стабилност, за да останат цели при екстремни условия на дефект.
• Множествена обмотка: Високонапрежните CT често разполагат с множество вторични обмотки - една за учет (висока точност, например клас 0.5) и друга за защита (широк диапазон и бърз отговор, например клас 5P или 10P). Нисконапрежните CT обикновено разполагат с една или две обмотки, за да удовлетворят основните приложения.
• Вторичната страна не трябва да бъде отворена: Отваряне на вторичната страна може да индуцира изключително високи напрежения (до няколко kV) в обмотката, което представлява сериозен риск от повреда на изолацията, оборудването и електрически удар. Ето защо вторичната верига трябва да остане затворена по време на работа - отварянето й е строго забранено.

4. Приложни сценарии

• Високонапрежни приложения: Използват се в предавателни линии и подстанции с напрежения от 1 kV и по-високо (например 10 kV, 35 kV, 110 kV системи). Широко се прилагат за мониторинг на тока и защита на ключови компоненти като трансформатори, автоматични предпазители и шини, играейки важна роля за гарантиране на надеждността и безопасността на мрежата.
• Нисконапрежни приложения: Приложими в разпределителни системи под 1 kV (например индустриални заводи, търговски сгради, жилищни комплекси). Обикновено се инсталират в нисконапрежни щитове или разпределителни панели за мониторинг на отклонителните вериги, енергиен учет или интеграция с устаткувания за остатъчен ток (RCDs) и интелигентни метри, за да осигурят безопасно и ефективно управление на енергията.