دو نوع اصلی ترانسفورماترهای اندازه گیری در سیستم برق

I. ترانسفورماتور ولتاژ (VT)

ترانسفورماتور ولتاژ (که به اختصار PT یا VT نامیده می‌شود) دستگاه الکتریکی است که برای تغییر سطح ولتاژ در مدارهای برق استفاده می‌شود.

1. اصل عملکرد

ترانسفورماتور ولتاژ بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی عمل می‌کند و ساختار مشابه با یک ترانسفورماتور معمولی دارد، شامل یک پیچه اصلی، یک پیچه ثانویه و یک هسته. پیچه اصلی به صورت موازی به مدار ولتاژ بالا متصل می‌شود و تعداد زیادی دور دارد.

پیچه ثانویه که تعداد دورهای کمتری دارد، به دستگاه‌های اندازه‌گیری، رله‌های محافظ و بارهای دیگر متصل می‌شود. در شرایط عادی، طرف ثانویه تقریباً در حالت مدار باز قرار دارد. بر اساس قانون القای الکترومغناطیسی، نسبت ولتاژ اصلی به ولتاژ ثانویه برابر با نسبت تعداد دورها (U₁/U₂ = N₁/N₂) است. این امر امکان می‌دهد تا ولتاژ بالا به طور متناسب به ولتاژ پایین استاندارد (معمولاً 100V یا 100/√3 V) کاهش یابد، که آن را ایمن و مناسب برای دستگاه‌های اندازه‌گیری و محافظی می‌کند.

نماد الکتریکی آن به شرح زیر است:

2. کاربردها

• اندازه‌گیری ولتاژ: ولتاژ سیستم‌های بالا را به ولتاژ پایین استاندارد (مانند 100V یا 100/√3 V) کاهش می‌دهد تا توسط ولت‌سنج‌ها، انرژی‌سنج‌ها و دستگاه‌های اندازه‌گیری دیگر استفاده شود و امکان نظارت زنده بر ولتاژ سیستم برق فراهم شود.
• محافظت رله‌ای: سیگنال‌های ولتاژ معتبر به رله‌های محافظ برای محافظت از ولتاژ بالا، ولتاژ پایین و عملکردهای محافظی دیگر ارائه می‌دهد. هنگامی که شرایط ولتاژ غیرعادی رخ می‌دهد، سیستم محافظی به سرعت واکنش نشان می‌دهد و دستور قطع را برای جدا کردن مدار خراب ارسال می‌کند و امنیت سیستم و تجهیزات را تضمین می‌کند.
• اندازه‌گیری و صدور قبض انرژی: با انرژی‌سنج‌ها همکاری می‌کند تا مصرف برق در مدارهای ولتاژ بالا را به صورت دقیق اندازه‌گیری کند. این امر به عنوان مبنای مهمی برای صدور قبض و تسویه حساب انرژی عمل می‌کند.

3. ویژگی‌ها

• دقت بالا: ترانسفورماتورهای ولتاژ اندازه‌گیری دارای کلاس‌های دقت بالا (مانند 0.2، 0.5) هستند تا اندازه‌گیری ولتاژ و مصرف انرژی دقیق را تضمین کنند. ترانسفورماتورهای VT محافظی دارای پاسخ سریع و کلاس‌های دقت نسبتاً کمتر (مانند 3P، 6P) هستند.
• نیاز به عایق‌بندی بالا: ترانسفورماتورهای VT ولتاژ بالا باید بتوانند ولتاژ عملکردی بالا را تحمل کنند و معمولاً از عایق‌بندی روغنی، SF₆ یا رزین جامد برای عملکرد پایدار و مطمئن استفاده می‌کنند. ترانسفورماتورهای VT ولتاژ پایین بیشتر نوع خشک هستند، با ساختار ساده و نگهداری آسان.
• طرف ثانویه نباید مدار بسته شود: مدار بسته شدن طرف ثانویه می‌تواند جریان‌های بسیار بالایی ایجاد کند که ممکن است پیچه‌ها را گرم کرده و آن‌ها را تخریب کند. بنابراین، باید مدار ثانویه با فیوز یا دیودهای مداری کوچک محافظت شود.

4. سناریوهای کاربرد

• کاربردهای ولتاژ بالا: برای خطوط انتقال و زیرстанسیون‌ها با ولتاژ 1 kV و بالاتر (مانند سیستم‌های 10 kV، 35 kV، 110 kV) مناسب است. برای نظارت بر ولتاژ بوسبار یا خطوط و ارائه ورودی به سیستم‌های محافظی استفاده می‌شود تا عملکرد شبکه را ایمن و پایدار نگه دارد.
• کاربردهای ولتاژ پایین: برای سیستم‌های توزیع با ولتاژ کمتر از 1 kV (مانند مدارهای مسکونی 220V، سیستم‌های صنعتی 380V) قابل استفاده است. معمولاً در تجهیزات مدار بسته ولتاژ پایین برای نظارت بر ولتاژ طرف مصرف‌کننده یا اتصال به انرژی‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری مصرف برق نصب می‌شود.

II. ترانسفورماتور جریان (CT)

ترانسفورماتور جریان (CT)، که همچنین به عنوان ترانسفورماتور جریان نیز شناخته می‌شود، یک ترانسفورماتور ابزاری است که تحت شرایط کاری عادی جریان ثانویه‌ای تولید می‌کند که به طور قابل توجهی متناسب با جریان اصلی است و با اتصال صحیح، تفاوت فازی نزدیک به صفر دارد.

1. اصل عملکرد

ترانسفورماتور جریان بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی عمل می‌کند و ساختار مشابه با یک ترانسفورماتور معمولی دارد، شامل یک پیچه اصلی، یک پیچه ثانویه و یک هسته مغناطیسی. پیچه اصلی به صورت سری با مدار مورد اندازه‌گیری متصل می‌شود و تعداد دورهای کمی (گاهی فقط یک دور) دارد و جریان اصلی بالا را منتقل می‌کند.

پیچه ثانویه که تعداد دورهای بیشتری دارد، به صورت سری به دستگاه‌های اندازه‌گیری، رله‌های محافظ و بارهای دیگر متصل می‌شود و یک مدار بسته تشکیل می‌دهد. در شرایط عادی، طرف ثانویه تقریباً در حالت مدار بسته قرار دارد. بر اساس القای الکترومغناطیسی، نسبت جریان اصلی به جریان ثانویه معکوس نسبت تعداد دورها (I₁/I₂ = N₂/N₁) است. این امر امکان می‌دهد تا جریان‌های بزرگ به طور متناسب به جریان‌های پایین استاندارد (معمولاً 5A یا 1A) کاهش یابد و امکان اندازه‌گیری، نظارت و محافظی فراهم شود.

نماد الکتریکی آن به شرح زیر است:

نسبت جریان اسمی اصلی به جریان اسمی ثانویه یک ترانسفورماتور جریان به عنوان نسبت تبدیل جریان (Ke) شناخته می‌شود. بیانیه نسبت تبدیل جریان به شرح زیر است:

نکته:

• W₁، W₂ تعداد دورهای پیچه اصلی و ثانویه ترانسفورماتور هستند؛
• I₁ₑ، I₂ₑ جریان‌های اسمی پیچه اصلی و ثانویه هستند؛
• I₁، I₂ جریان‌های واقعی پیچه اصلی و ثانویه هستند.

2. کاربردها

• اندازه‌گیری جریان: جریان‌های اصلی بالا را به جریان‌های ثانویه استاندارد پایین (مانند 5A یا 1A) کاهش می‌دهد تا آمپر‌سنج‌ها، انرژی‌سنج‌ها و دستگاه‌های دیگر بتوانند جریان بار را به صورت زنده نظارت کنند.
• محافظت رله‌ای: سیگنال‌های جریان به رله‌های محافظ برای محافظت از جریان بالا، دیفرانسیل و فاصله ارائه می‌دهد. هنگامی که خطاهایی مانند مدار کوتاه یا بار زیاد رخ می‌دهد، سیستم محافظی دستور قطع را ارسال می‌کند تا تامین برق قطع شود و جلوی خسارت تجهیزات و ناپایداری سیستم گرفته شود.
• جدا کردن الکتریکی: جدایی گالوانیکی بین مدار اصلی با ولتاژ و جریان بالا و مدار ثانویه با ولتاژ پایین استفاده شده برای اندازه‌گیری، کنترل و محافظی ارائه می‌دهد. این امر امنیت کارکنان و تجهیزات ثانویه را تضمین می‌کند.

3. ویژگی‌ها

• قابلیت اطمینان بالا: باید بتواند استرس‌های مکانیکی و حرارتی بالا را در حوادث مدار کوتاه تحمل کند. CT‌ها با پایداری دینامیکی و حرارتی عالی طراحی شده‌اند تا در شرایط خطا شدید نیز کامل بمانند.
• طراحی چند پیچه‌ای: CT‌های ولتاژ بالا معمولاً دارای چندین پیچه ثانویه هستند - یکی برای اندازه‌گیری (دقت بالا، مانند کلاس 0.5) و دیگری برای محافظی (دامنه گسترده و پاسخ سریع، مانند کلاس 5P یا 10P). CT‌های ولتاژ پایین معمولاً دارای یک یا دو پیچه هستند تا نیازهای کاربردی پایه را برآورده کنند.
• طرف ثانویه نباید مدار باز شود: مدار باز شدن طرف ثانویه می‌تواند ولتاژ بسیار بالا (حتی چند کیلوولت) را در پیچه القاء کند که خطر جدی خرابی عایق، خسارت تجهیزات و شوک الکتریکی را به همراه دارد. بنابراین، مدار ثانویه باید در حالت کاری بسته بماند و باز کردن آن ممنوع است.

4. سناریوهای کاربرد

• کاربردهای ولتاژ بالا: در خطوط انتقال و زیرستانسیون‌ها با ولتاژ 1 kV و بالاتر (مانند سیستم‌های 10 kV، 35 kV، 110 kV) استفاده می‌شود. به طور گسترده‌ای در نظارت بر جریان و محافظی تجهیزات حیاتی مانند ترانسفورماتورها، برشکن‌ها و بوسبارها استفاده می‌شود و نقش حیاتی در تضمین قابلیت اطمینان و ایمنی شبکه دارد.
• کاربردهای ولتاژ پایین: در سیستم‌های توزیع با ولتاژ کمتر از 1 kV (مانند کارگاه‌های صنعتی، ساختمان‌های تجاری، مجتمع‌های مسکونی) استفاده می‌شود. معمولاً در تجهیزات مدار بسته ولتاژ پایین یا پنل‌های توزیع برای نظارت بر مدارهای شاخه‌ای، اندازه‌گیری انرژی یا یکپارچه‌سازی با دستگاه‌های جریان باقی‌مانده (RCDs) و مترهای هوشمند نصب می‌شود تا مدیریت ایمن و کارآمد مصرف برق فراهم شود.