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.
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.
رمينال 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.
توجه : 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=0.8 پسفاز و بردن 30 VA داریم:
30VA/1A=30A=V ولتاژ دو سر بار
|Z|=30V/1A=30 W امپدانس بار
Z=30Ðcos-10.8=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.
Kn=نسبت تبدیل نامی
Ip= جریان موثر اولیه
Is= جریان موثر ثانویه
%=((KnIs-Ip)/ Ip)*100=[Is-(Ip/Kn)/( Ip/Kn)]*100=(Is-I’p)/ I’p)*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 20 P 5 . 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 ایمنی Security 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.
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 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 .
