ترانسفورماتور جریان 

ترانسفورماتورهای جریان متناسب با جریان عبوری از سیم پیچ اولیه در نتیجه پتانسیل ثابت روی اولیه، خروجی تولید می‌کنند.

ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور جریان (C.T)، نوعی “ترانسفورماتور ابزار دقیق” است که برای تولید یک جریان متناوب در سیم پیچ ثانویه که متناسب با جریان اندازه گیری شده در اولیه است، طراحی شده است. ترانسفورماتورهای جریان جریان های ولتاژ بالا را به مقدار بسیار کمتری کاهش می‌دهند و یک روش مناسب برای نظارت بی خطر بر جریان الکتریکی واقعی جریان یافته در یک خط انتقال AC با استفاده از یک آمپرمتر استاندارد ارائه می‌دهند. اصل کارکرد یک ترانسفورماتور جریان اساسی با ترانسفورماتور ولتاژ معمولی کمی متفاوت است.

برخلاف ترانسفورماتور ولتاژ یا توان که قبلاً مورد بررسی قرار گرفت، ترانسفورماتور جریان فقط از یک یا تعداد بسیار کمی دور پیچ به عنوان سیم پیچ اولیه تشکیل شده است. این سیم پیچ اولیه می تواند به صورت یک دور مسطح باشد، یعنی یک سیم پیچ سیم سنگین پیچیده شده به دور هسته یا فقط یک هادی یا میله اصلی پیچیده شده از طریق یک حفره مرکزی که نشان داده شده است.

ترانس جریان

با توجه به این نوع آرایش، ترانسفورماتور جریان اغلب به عنوان “ترانسفورماتور سری” نیز شناخته می‌شود زیرا سیم پیچ اولیه، که هرگز بیش از چند دور ندارد، با هادی حامل جریان که یک بار را تأمین می کند، سری است.

با این حال، سیم پیچ ثانویه ممکن است تعداد زیادی چرخش سیم پیچ بر روی یک هسته ورقه ای از مواد مغناطیسی کم افت داشته باشد. این هسته دارای یک سطح مقطع بزرگ است به طوری که چگالی شار مغناطیسی ایجاد شده با استفاده از سیمی با سطح مقطع بسیار کوچکتر، بسته به مقدار جریان کاهش یافته هنگام تلاش برای تولید یک جریان ثابت، مستقل از متصل بار، پایین است.

سیم پیچ ثانویه جریان را به صورت اتصال کوتاه، به شکل آمپرمتر یا به یک بار مقاومتی تأمین می‌کند تا زمانی که ولتاژ القایی در ثانویه به اندازه کافی بزرگ باشد تا بتواند هسته را اشباع کند یا باعث شکست بیش از حد ولتاژ شود.

برخلاف ترانسفورماتور ولتاژ، جریان اولیه یک ترانسفورماتور جریان وابسته به جریان بار ثانویه نیست بلکه در عوض توسط یک بار خارجی کنترل می‌شود. جریان ثانویه معمولاً با 1 آمپر استاندارد یا 5 آمپر برای محدوده های جریان اصلی بزرگتر درجه بندی می‌شود.

انواع ترانسفورماتور جریان

سه نوع اساسی ترانسفورماتور جریان وجود دارد: سیم پیچ، توروئیدال و میله ای.

• ترانسفورماتور جریان سیم پیچ – سیم پیچ اولیه ترانسفورماتورها از نظر فیزیکی بصورت سری با هادی ای که جریان اندازه گیری شده را در مدار حمل می‌کند، متصل است. مقدار جریان ثانویه به نسبت دور ترانسفورماتور بستگی دارد.
• ترانسفورماتور جریان تروئودیال – اینها شامل سیم پیچ اولیه نیستند. در عوض، خطی که جریان جاری در شبکه را حمل می‌کند، از طریق یک پنجره یا سوراخ در ترانسفورماتور توروئیدال پیچیده می‌شود. برخی از ترانسفورماتورهای جریان دارای یک “هسته تقسیم شده” هستند که اجازه می‌دهد بدون باز کردن مدار اتصال به آن، باز ، نصب و بسته شود.
• ترانسفورماتور جریان از نوع میله ای – در این نوع ترانسفورماتور جریان از کابل یا میله اصلی مدار اصلی به عنوان سیم پیچ اولیه استفاده می‌شود که معادل یک دور است. آنها کاملاً از ولتاژ کارکرد بالای سیستم عایق بندی شده اند و معمولاً به قطعه حمل جریان متصل می‌شوند.

ترانسفورماتورهای جریان می توانند برای عملکرد عادی، میزان جریان را از هزاران آمپر به یک خروجی استاندارد با نسبت معلوم به 5 آمپر یا 1 آمپر “کاهش” دهند. بنابراین، از ابزارهای کوچک و دقیق و کنترلی می توان با ترانسفورماتور جریان استفاده کرد زیرا آنها به دور از هرگونه خط ولتاژ بالا عایق بندی شده اند. انواع کاربردهای اندازه گیری برای ترانسفورماتورهای جریان مانند وات مترها، سنجش ضریب توان، توان – ساعت سنج، رله های محافظتی، یا به عنوان سیم پیچ در قطع کننده های مدار مغناطیسی، یا  MCB وجود دارد.

ترانسفورماتورهای جریان

عموماً ترانسفورماتورها و آمپرمترهای جریان با هم به عنوان یک جفت همسان استفاده می‌شوند که در آنها طراحی ترانسفورماتور جریان به گونه ای است که حداکثر جریان ثانویه متناظر با انحراف در مقیاس کامل روی آمپرمتر را فراهم می‌کند. در بیشتر ترانسفورماتور های جریان نسبت معکوس دور تقریبی بین دو جریان در سیم پیچ اولیه و ثانویه وجود دارد. به همین دلیل است که کالیبراسیون ترانسفورماتور جریان به طور کلی برای نوع خاصی از آمپرمتر است.

اکثر ترانسفورماتورهای جریان دارای درجه ثانویه استاندارد 5 آمپر هستند که جریان اولیه و ثانویه به صورت نسبی مانند 5/100 بیان می‌شوند. این بدان معنی است که جریان اولیه 20 برابر بیشتر از جریان ثانویه است بنابراین وقتی 100 آمپر در هادی اصلی جریان دارد منجر به جریان 5 آمپر در سیم پیچ ثانویه می‌شود. یک ترانسفورماتور جریان مثلاً 5/500 ، 5 آمپر در ثانویه برای 500 آمپر در هادی اولیه تولید می‌کند یعنی 100 برابر بیشتر.

با افزایش تعداد سیم پیچ های ثانویه، N ها ، می‌توان جریان ثانویه را بسیار کوچکتر از جریان مدار اصلی که اندازه گیری می شود، ساخت زیرا با افزایش Ns ، Is با مقداری متناسب کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، تعداد دور ها و جریان در سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه با نسبت معکوس مرتبط است.

یک ترانسفورماتور جریان، مانند هر ترانسفورماتور دیگر، باید معادله آمپر – دور را برآورده کند و ما از آموزش ترانسفورماتور ولتاژ دو سیم پیچ می دانیم که این نسبت دور برابر است با:

                                                                                      T.R=n= Np/Ns=Is/Ip

به طوری که:

                                                                                 جریان ثانویه،  Is=Ip(Np/Ns)

نسبت جریان ضریب دورها را تنظیم می کند و همانطور که اولیه معمولاً از یک یا دو دور تشکیل می شود در حالی که ثانویه می‌تواند چند صد دور داشته باشد، نسبت بین اولیه و ثانویه می تواند بسیار بزرگ باشد. به عنوان مثال، فرض کنید که نرخ فعلی سیم پیچ اولیه 100Aباشد. سیم پیچ ثانویه دارای نرخ استاندارد 5A است. سپس نسبت بین جریان اصلی و ثانویه 100A به -5A یا 20:1 است. به عبارت دیگر، جریان اولیه 20 برابر بیشتر از جریان ثانویه است.

با این حال باید ذکر شود که یک ترانسفورماتور جریان دارای رنج100/5 همان درجه بندی 20/1 یا زیرمجموعه های 100/5 نیست. دلیل این امر این است که نسبت 100/5 بیانگر “نرخ جریان ورودی / خروجی” و نه نسبت واقعی جریان اصلی به جریان ثانویه است. همچنین توجه داشته باشید که تعداد دورها و جریان در سیم پیچ‌های اولیه و ثانویه با نسبت معکوس مرتبط هستند.

اما تغییرات نسبتاً بزرگ در نسبت دور ترانسفورماتورهای جریان را می‌توان با اصلاح دورهای اولیه از طریق پنجره ترانسفورماتور جریان حاصل کرد که در آن یک دور اصلی برابر با یک گذر است و بیش از یک عبور از پنجره منجر به اصلاح نسبت الکتریکی می‌شود.

بنابراین به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور جریان با یک رابطه مثلاً 300/5A می تواند با عبور هادی اصلی دو یا سه بار از پنجره داخلی آن همانطور که نشان داده شده است، به 150/5A یا حتی 100/5 A تبدیل شود. این اجازه می‌دهد تا یک ترانسفورماتور جریان با مقدار بالاتر، حداکثر جریان خروجی را برای آمپرمتر هنگامی که در خطوط جریان اصلی کوچکتر استفاده می‌شود فراهم کند.

نسبت دورهای اولیه ترانسفورماتور جریان

مثال شماره 1 ترانسفورماتور جریان

یک ترانسفورماتور جریان از نوع میله ای که 1 دور بر روی اولیه خود و 160 دور بر روی ثانویه دارد، باید با دامنه استاندارد آمپرمترها که دارای مقاومت داخلی 0.2Ω هستند، استفاده شود. هنگامی که جریان اولیه 800 آمپر است، آمپرمتر برای ایجاد انحراف در مقیاس کامل مورد نیاز است. حداکثر جریان ثانویه و ولتاژ ثانویه در آمپرمتر را محاسبه کنید.

جریان ثانویه:

                                                                                           Is=Ip(Np/Ns)=800(1/160)=5A

ولتاژ دو سرآمپر متر:

                                                                                           Vs=Is x RA = 5 x 0.2 =1V

از بالا می‌توان دید که چون ثانویه ترانسفورماتور جریان دو سرآمپرمتر متصل شده است، که مقاومت بسیار کمی دارد، افت ولتاژ در سیم پیچ ثانویه فقط 0.1 ولت در جریان اولیه کامل است.

با این حال، اگر آمپرمتر برداشته شود، سیم پیچ ثانویه به طور موثر مدار باز می‌شود و بنابراین ترانسفورماتور به عنوان یک ترانسفورماتور مرحله ای عمل می‌کند. این امر تا حدی به دلیل افزایش بسیار زیاد شار مغناطیسی در هسته ثانویه است زیرا راکتانس نشت ثانویه ولتاژ ولتاژ القایی ثانویه را تحت تأثیر قرار می‌دهد زیرا در سیم پیچ ثانویه جریان متضادی برای جلوگیری از این وجود ندارد.

نتایج یک ولتاژ بسیار بالا است که در سیم پیچ ثانویه القا شده است که برابر با نسبت: Vp (Ns / Np) در حال توسعه در سیم پیچ ثانویه است. به عنوان مثال، فرض کنید ترانسفورماتور جریان ما از بالا در یک خط برق سه فاز 480 ولت به زمین استفاده شده است. از این رو:

                                                                                            T.R.= n = Vp/Vs=Np/Ns

                                                                          Vs=Vp(Ns/Np)=480(160/1)=76,800 V, 76.8kv

این ولتاژ بالا به این دلیل است که نسبت ولت در هر دور در سیم پیچ های اولیه و ثانویه تقریباً ثابت است و به عنوان Vs = Ns * Vp مقادیر Ns و Vp مقادیر زیاد هستند، بنابراین Vs بسیار زیاد است.

به همین دلیل وقتی جریان اصلی اولیه از آن عبور می کند، ترانسفورماتور جریان هرگز نباید مدار باز باشد و بدون بار متصل کار کند، همانطور که هرگز یک ترانسفورماتور ولتاژ نباید در یک اتصال کوتاه کار کند. اگر قرار است آمپرمتر (یا بار) برداشته شود، ابتدا باید اتصال کوتاه در دوسر ترمینال های ثانویه قرار گیرد تا خطر شوک از بین برود.

این ولتاژ بالا به این دلیل است که هنگامی که ثانویه مدار باز است هسته آهنی ترانسفورماتور در درجه اشباع بالا کار می‌کند و هیچ چیزی نمی تواند آن را متوقف کند، ولتاژ ثانویه غیر عادی زیادی ایجاد می‌کند و در مثال ساده ما در بالا، این در 76.8kv محاسبه شد! اگر به طور تصادفی پایانه های ترانسفورماتور جریان لمس شوند، این ولتاژ ثانویه بالا می تواند به عایق آسیب برساند یا باعث برق گرفتگی شود.

ترانسفورماتورهای دستی جریان

اکنون انواع تخصصی ترانسفورماتور جریان وجود دارد. یک نوع محبوب و قابل حمل که می تواند برای اندازه گیری بارگذاری مدار استفاده شود، “کنتور گیره” است که نشان داده شده است.

کنتورهای گیره در اطراف یک رسانای حامل جریان باز و بسته می‌شوند و جریان آن را با تعیین میدان مغناطیسی اطراف آن اندازه گیری می‌کنند و یک اندازه گیری سریع را معمولاً روی صفحه نمایش دیجیتال بدون قطع و یا باز کردن مدار ارائه می‌دهند.

همانند ترانسفورماتور جریان نوع گیره دستی ترانسفورماتورهای جریان هسته تقسیم شده در دسترس هستند که یک انتهای آن قابل جابجایی است تا برای نصب آن نیازی به قطع شدن هادی بار یا میله اصلی نباشد. اینها برای اندازه گیری جریان از 100 تا 5000 آمپر، با اندازه پنجره مربع از 1 ″تا بیش از 12″ (25 تا 300 میلی متر) در دسترس هستند.

ساختار داخلی ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور جریان (CT) نوعی ترانسفورماتور ابزار دقیق است که برای تبدیل جریان اولیه به جریان ثانویه از طریق یک کانال مغناطیسی استفاده می‌شود. سیم پیچ ثانویه آن، جریان بسیار کاهش یافته ای را فراهم می‌کند که می تواند برای تشخیص شرایط جریان اضافی، زیر جریان، جریان پیک یا متوسط جریان استفاده شود.

سیم پیچ اولیه ترانسفورماتورهای جریان همیشه به صورت سری متصل می‌شوند و هادی اصلی باعث ایجاد آن می‌شود و از آن به عنوان ترانسفورماتور سری نیز یاد می‌شود. جریان ثانویه اسمی1A یا 5A برای سهولت اندازه گیری درجه بندی می‌شود. ساختار می تواند تک دور بر روی اولیه باشد مانند انواع Toroidal ، Donut یا Bar یا چند دور اولیه که معمولاً برای نسبت های پایین جریان بکار می‌روند.

ترانسفورماتورهای جریان به عنوان استفاده بصورت قطعات جریان متناسب در نظر گرفته شده اند. بنابراین سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتورهای جریان هرگز نباید در یک مدار باز کار کنند، همانطور که هرگز یک ترانسفورماتور ولتاژ نباید در یک اتصال کوتاه کار کند.

ولتاژهای بسیار بالا در اثر مدار باز مدار ثانویه یک ترانسفورماتور جریان انرژی ایجاد می‌شود، بنابراین اگر بخواهید آمپرمتر را بردارید یا وقتی از CT استفاده نمی‌شود، قبل از تغذیه سیستم، باید ترمینال های آنها اتصال کوتاه شود.

در آموزش بعدی در مورد ترانسفورماتور، بررسی خواهیم کرد که چه اتفاقی می افتد زمانی که سه ترانسفورماتور جداگانه را در یک پیکربندی ستاره یا مثلث بهم متصل کنیم و یک ترانسفورماتور توان بزرگتر به نام ترانسفورماتور سه فاز را که برای تغذیه منابع سه فاز استفاده می‌شود، تولید کنیم.