Dwa główne typy transformatorów pomiarowych w systemie energetycznym.

I. Przekształtnik napięcia (VT)

Przekształtnik napięcia (Potencjalny Przekształtnik, skrót PT; Przekształtnik Napięcia, skrót VT) to urządzenie elektryczne stosowane do przekształcania poziomów napięcia w obwodach energetycznych.

1. Zasada działania

Przekształtnik napięcia działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej i ma strukturę podobną do konwencjonalnego transformatora, składającą się głównie z cewki pierwotnej, cewki wtórnej i rdzenia. Cewka pierwotna jest połączona równolegle z mierzonym obwodem o wysokim napięciu i ma dużą liczbę zwinięć.

Cewka wtórna, z mniejszą liczbą zwinięć, jest połączona z przyrządami pomiarowymi, relajami ochronnymi i innymi obciążeniami. W normalnych warunkach pracy strona wtórna znajduje się w stanie zbliżonym do otwartego obwodu. Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej stosunek napięć pierwotnego do wtórnego jest równy stosunkowi liczby zwinięć (U₁/U₂ = N₁/N₂). To pozwala proporcjonalnie obniżyć wysokie napięcie do standardowego niskiego napięcia (zazwyczaj 100V lub 100/√3 V), co czyni je bezpiecznym i odpowiednim dla urządzeń pomiarowych i ochronnych.

Jego symbol elektryczny wygląda następująco:

2. Funkcje

• Pomiar napięcia: Obniża wysokie napięcia systemowe do standardowych niskich napięć (np. 100V lub 100/√3 V) dla użycia przez woltomierze, liczniki energii i inne przyrządy pomiarowe, umożliwiając monitorowanie napięcia w systemie energetycznym w czasie rzeczywistym.
• Ochrona relajowa: Dostarcza niezawodne sygnały napięcia do relajów ochronnych do funkcji ochrony przed nadmiernym napięciem, niedociśnięciem i innych. Gdy wystąpią nietypowe warunki napięcia, system ochrony reaguje szybko, wydając komendę odłączenia, aby izolować uszkodzony obwód i zapewnić bezpieczeństwo systemu i sprzętu.
• Licznictwo energii i rozliczenia: Współpracuje z licznikami energii, aby dokładnie zmierzyć zużycie energii w obwodach o wysokim napięciu. Stanowi kluczową podstawę do rozliczeń energetycznych i rozliczeń za energię.

3. Charakterystyka

• Wysoka dokładność: Przekształtniki napięcia klasy pomiarowej mają wysokie klasy dokładności (np. 0,2, 0,5) do zapewnienia precyzyjnego pomiaru napięcia i licznictwa energii. Przekształtniki VT klasy ochronnej priorytetowo dążą do szybkiej reakcji i mają względnie niższe klasy dokładności (np. 3P, 6P).
• Wysokie wymagania izolacyjne: Przekształtniki napięcia o wysokim napięciu muszą wytrzymywać wysokie napięcia robocze i zazwyczaj używają izolacji olejowej, gazowej SF₆ lub sztywnej żywicy, aby zapewnić stabilne i niezawodne działanie. Przekształtniki napięcia o niskim napięciu są zazwyczaj suchotłuste, mają prostą strukturę i łatwe utrzymanie.
• Strona wtórna nie może być zamknięta w obwód: Zamknięcie obwodu na stronie wtórnej może generować ekstremalnie wysokie prądy, które mogą spowodować przegrzanie i zniszczenie zwinięć. Dlatego strona wtórna musi być chroniona przez bezpieczniki lub mikroprzerzutniki.

4. Scenariusze zastosowania

• Zastosowania wysokonapięciowe: Są odpowiednie dla linii przesyłowych i podstacji z napięciem 1 kV i wyżej (np. systemy 10 kV, 35 kV, 110 kV). Stosowane do monitorowania napięcia pasków szyn lub linii oraz dostarczania wejść do systemów ochrony, zapewniając bezpieczne i stabilne działanie sieci.
• Zastosowania niskonapięciowe: Stosowane w systemach dystrybucji poniżej 1 kV (np. obwody domowe 220V, systemy przemysłowe 380V). Powszechnie montowane w przełącznikach niskonapięciowych do monitorowania napięcia po stronie konsumenta lub integracji z licznikami energii do pomiaru mocy.

II. Przekształtnik prądu (CT)

Przekształtnik prądu (CT), również znany jako transduser prądu, to instrumentowy transformator, który w normalnych warunkach pracy produkuje prąd wtórny proporcjonalny do prądu pierwotnego, z różnicą fazową zbliżoną do zera, gdy jest poprawnie połączony.

1. Zasada działania

Przekształtnik prądu działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej i ma strukturę podobną do konwencjonalnego transformatora, składającą się z cewki pierwotnej, cewki wtórnej i rdzenia magnetycznego. Cewka pierwotna jest połączona szeregowo z mierzonym obwodem i ma bardzo małą liczbę zwinięć (czasem tylko jedno zwinięcie), niosąc wysoki prąd pierwotny.

Cewka wtórna, z większą liczbą zwinięć, jest połączona szeregowo z przyrządami pomiarowymi, relajami ochronnymi i innymi obciążeniami, tworząc zamknięty obwód. W normalnych warunkach pracy strona wtórna znajduje się w stanie zbliżonym do zamkniętego obwodu. Zgodnie z indukcją elektromagnetyczną stosunek prądów pierwotnego do wtórnego jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku liczby zwinięć (I₁/I₂ = N₂/N₁). To pozwala skalować duże prądy proporcjonalnie do standardowych niskich prądów (zazwyczaj 5A lub 1A), ułatwiając pomiar, monitorowanie i ochronę.

Jego symbol elektryczny wygląda następująco:

Stosunek nominalnego prądu pierwotnego do wtórnego w przekształtniku prądu nazywany jest współczynnikiem przekształcenia prądu (Ke). Wyrażenie dla współczynnika przekształcenia prądu to:

Uwaga:

• W₁, W₂ to liczba zwinięć w cewkach pierwotnej i wtórnej transformatora, odpowiednio;
• I₁ₑ, I₂ₑ to nominalne prądy cewek pierwotnej i wtórnej, odpowiednio;
• I₁, I₂ to faktyczne prądy w cewkach pierwotnej i wtórnej, odpowiednio.

2. Funkcje

• Pomiar prądu: Obniża wysokie prądy pierwotne do standardowych niskich prądów wtórnych (np. 5A lub 1A), umożliwiając amperomierzom, licznikom energii i innym przyборам в реальном времени мониторинг нагрузочного тока.
• Ochrona relajowa: Dostarcza sygnały prądowe do relajów ochronnych do ochrony przeciwko przepięćom, różnicom i odległościom. Gdy wystąpią awarie, takie jak zwarcia lub przeciążenia, system ochrony wydaje komendę odłączenia, aby odciąć zasilanie, zapobiegając uszkodzeniom sprzętu i niestabilności systemu.
• Izolacja elektryczna: Zapewnia galwaniczne oddzielenie między obwodem pierwotnym o wysokim napięciu/wysokim prądzie a obwodami wtórnymi o niskim napięciu używanymi do pomiaru, sterowania i ochrony. To zapewnia bezpieczeństwo personelu i sprzętu wtórnego.

3. Charakterystyka

• Wysoka niezawodność: Musi wytrzymywać wysokie mechaniczne i termiczne obciążenia podczas zdarzeń zwarcia. CT są zaprojektowane z doskonałą dynamiczną i termiczną stabilnością, aby pozostać nietknięte w ekstremalnych warunkach awarii.
• Projekt wielocewkowy: Przekształtniki prądu o wysokim napięciu często mają wiele cewek wtórnych – jedna do pomiaru (wysoka dokładność, np. klasa 0,5) i druga do ochrony (szeroki zakres i szybka reakcja, np. klasa 5P lub 10P). Przekształtniki prądu o niskim napięciu zazwyczaj mają pojedyncze lub podwójne cewki, aby spełnić podstawowe potrzeby zastosowania.
• Strona wtórna nie może być otwarta: Otwarty obwód na stronie wtórnej może indukować ekstremalnie wysokie napięcia (do kilku kV) na zwinięciu, stanowiąc poważne ryzyko przepalenia izolacji, uszkodzenia sprzętu i porażenia prądem. Dlatego obwód wtórny musi pozostawać zamknięty podczas działania – jego otwieranie jest surowo zabronione.

4. Scenariusze zastosowania

• Zastosowania wysokonapięciowe: Stosowane w liniach przesyłowych i podstacjach z napięciem 1 kV i wyżej (np. systemy 10 kV, 35 kV, 110 kV). Szeroko stosowane do monitorowania prądu i ochrony kluczowego sprzętu, takiego jak transformatory, przełączniki i paski szyn, odgrywając kluczową rolę w zapewnianiu niezawodności i bezpieczeństwa sieci.
• Zastosowania niskonapięciowe: Stosowane w systemach dystrybucji poniżej 1 kV (np. warsztaty przemysłowe, budynki handlowe, kompleksy mieszkalne). Zazwyczaj montowane w przełącznikach niskonapięciowych lub panelach dystrybucyjnych do monitorowania obwodów gałęziowych, licznictwa energii lub integracji z urządzeniami ochrony przeciwko niewłaściwemu prądowi resztkowemu (RCD) i inteligentnymi licznikami, umożliwiając bezpieczne i efektywne zarządzanie zużyciem energii.