Interne constructie en soorten stroomtransformatoren

De kern: het hart van elke stroomtransformator

De magnetische kern is het meest prestatiebepalende onderdeel in een stroomtransformator. Het dient als het medium waardoor energie van de primaire geleider door elektromagnetische inductie wordt overgedragen naar de secundaire wikkeling. De vorm, het materiaal en het dwarsdoorsnedeoppervlak van de kern bepalen vrijwel elk prestatiekenmerk van het voltooide apparaat.

Kerngeometrie

De meeste stroomtransformatorkernen worden vervaardigd in een torusvorm (ringvorm). Deze gesloten-lusgeometrie zorgt ervoor dat het magnetische stroompad continu is, wat fluxlekkage minimaliseert en bijdraagt ​​aan een hoge nauwkeurigheid. Ringkernen zijn standaard in instrumenten van opbrengst- en beschermingsklasse, omdat ze bij nominale stroom zeer lage fasehoekfouten opleveren.

Voor stroomtransformatoren van het gewikkelde type die worden gebruikt in toepassingen met hoge verhoudingen of speciale toepassingen, kunnen kernen worden gelamineerd in rechthoekige of C-vormige configuraties, samengesteld uit korrelgeoriënteerde elektrische stalen strips. Met deze gelamineerde kernen kan de fabrikant het dwarsdoorsnedeoppervlak nauwkeurig afstemmen op een beoogde belastings- en nauwkeurigheidsklasse.

Magnetische kernmaterialen

De keuze van het magnetische kernmateriaal bepaalt rechtstreeks de nauwkeurigheidsklasse, het verzadigingsgedrag en de frequentierespons van de transformator. De onderstaande tabel vat de meest voorkomende opties samen:

Voor standaard vermogensfrequentiemeting bij 50 Hz of 60 Hz blijft CRGO-siliciumstaal de dominante keuze vanwege het gunstige evenwicht tussen kosten, beschikbaarheid en magnetische prestaties. Nikkel-ijzerlegeringen zijn gereserveerd voor CT's met precisie-inkomstenmeting, waarbij fouten binnen een breed belastingsbereik binnen 0,1% of 0,2% moeten worden gehouden.

Kernlaminering en isolatie

Om wervelstroomverliezen te verminderen, worden kernen van siliciumstaal gelamineerd tot dunne strips, doorgaans 0,23 mm tot 0,35 mm dik. Elke laminering is bedekt met een dunne isolatielaag – meestal een fosfaatbehandeling of een organische vernis – die voorkomt dat er stroom tussen de lagen vloeit. Strakkere laminering en dunnere strips verminderen verliezen en warmteopbouw tijdens aanhoudende overbelasting.

Secundaire wikkeling: flux omzetten in een meetbaar signaal

De secundaire wikkeling wordt rechtstreeks op de kern gewikkeld en is verantwoordelijk voor het produceren van de uitgangsstroom die instrumenten, relais en meters meten. De fysieke constructie van deze wikkeling beïnvloedt zowel de nauwkeurigheid als de thermische prestaties.

Wikkeldraad en geleidermateriaal

Vrijwel alle secundaire wikkelingen zijn gewikkeld uit geëmailleerd koperdraad. De combinatie van koper van hoge elektrische geleidbaarheid, ductiliteit en goed begrepen temperatuurkarakteristieken maakt het tot de standaardkeuze. In gespecialiseerde lichtgewichtontwerpen wordt af en toe aluminiumdraad gebruikt, hoewel hiervoor grotere doorsneden nodig zijn om hetzelfde weerstandsdoel te bereiken en een zorgvuldige beëindiging vereist om corrosie te voorkomen.

De draaddikte wordt gekozen om te voldoen aan de weerstandsspecificatie voor de secundaire wikkeling (vaak Rct genoemd - de weerstand van de secundaire wikkeling). Een lagere Rct maakt het mogelijk dat een groter deel van de beschikbare secundaire EMF wordt afgegeven aan de externe belasting in plaats van intern als warmte te worden afgevoerd. Dit heeft een directe invloed op de nauwkeurigheid bij lage belastingsniveaus.

Opwindtechniek en aantal beurten

Het aantal secundaire windingen bepaalt de transformatieverhouding in combinatie met de primaire windingen. Voor een standaard stroomtransformator van het staaf- of venstertype waarbij de primaire een enkele doorvoergeleider is, is het aantal primaire windingen 1. De secundaire windingen worden vervolgens zo ingesteld dat de gewenste verhouding wordt bereikt, bijvoorbeeld 200 windingen voor een verhouding van 200:1 in een transformator van 200 A / 1 A.

De wikkelingen zijn gelijkmatig rond de torus verdeeld om een ​​evenwichtige magnetomotorische kracht te garanderen en de lekflux te minimaliseren. Uniformiteit is vooral van cruciaal belang bij ontwerpen met hoge nauwkeurigheid, waarbij zelfs kleine asymmetrieën in de wikkelingsverdeling meetbare fasehoekfouten kunnen introduceren.

Isolatie tussen lagen

Meerlaagse wikkelingen vereisen tussenlaagisolatie om spanningsdoorslag tussen windingen met verschillende spanningen te voorkomen. Veel voorkomende isolatiematerialen tussen de lagen zijn onder meer:

• Polyesterfilmtape (Mylar-type) - gebruikt in CT's met lage tot middenspanning vanwege de balans tussen diëlektrische sterkte en dun profiel
• Polyimidefilm (type Kapton) — geselecteerd wanneer de bedrijfstemperatuur hoger is dan 130 °C of wanneer zeer dunne isolatie nodig is zonder spanningsbestendigheid op te offeren
• Nomex-papier - gebruikt in droge omgevingen met hoge temperaturen waar materialen op cellulosebasis zouden afbreken

Primaire geleideropstellingen in de constructie van stroomtransformatoren

De primaire zijde van een stroomtransformator kan op verschillende, duidelijk verschillende manieren worden gerangschikt, elk resulterend in een ander mechanisch constructietype. Dit is de primaire basis voor het classificeren van CT's op basis van fysiek ontwerp.

Bar-type stroomtransformatorconstructie

Een stroomtransformator van het staaftype maakt gebruik van een vaste, in de fabriek geïnstalleerde primaire geleider - meestal een koperen of aluminium staaf - die door het midden van de toroïdale of rechthoekige kern-en-wikkeling loopt. Rondom deze staaf zijn de kern en de secundaire wikkeling ingekapseld. Deze constructie biedt maximale mechanische stijfheid en heeft de voorkeur voor schakelapparatuur en railinstallaties waar de primaire stroomsterkte varieert van 400 A tot enkele duizenden ampère.

Omdat de balk in de fabriek is ingesteld, kunnen CT's van het staaftype niet ter plaatse worden aangepast. De nominale primaire stroom wordt bij de productie bepaald. Ze zijn echter extreem stabiel gedurende tientallen jaren van gebruik, omdat er geen mechanische verbindingen in het primaire pad zijn die los kunnen raken of corroderen.

Venstertype Constructie van stroomtransformator

CT's van het venstertype, ook wel ringtype- of donutstroomtransformatoren genoemd, bestaan uit een torusvormige kern die is omwikkeld met de secundaire spoel en is ingesloten in een behuizing met een centrale opening. De primaire geleider – welke kabel of stroomrail dan ook die de gemeten stroom voert – wordt bij installatie eenvoudig door deze opening gestoken. Er wordt geen elektrische verbinding gemaakt tussen het CT-lichaam en de primaire geleider; de transformator werkt puur door inductie.

Dit ontwerp is veelzijdig omdat één enkel CT-model kan worden geïnstalleerd op geleiders met verschillende doorsneden, zolang de geleider maar fysiek door het raam past. CT's van het venstertype worden veelvuldig gebruikt in paneelborden, kabelbewaking en het achteraf inbouwen van bestaande installaties.

Constructie van wondstroomtransformatoren

Bij een gewikkelde stroomtransformator bestaat de primaire wikkeling uit een of meer windingen van geïsoleerde koperen geleider die direct naast de secundaire wikkeling op de kern zijn gewikkeld. Deze opstelling wordt gebruikt wanneer de primaire stroom relatief laag is (meestal minder dan 100 A) en een geleider met enkele doorgang onvoldoende flux zou produceren voor nauwkeurige metingen.

Door twee, drie of meer primaire windingen toe te voegen, wordt de effectieve transformatieverhouding vermenigvuldigd zonder dat een fysiek grotere kern nodig is. Een gewikkelde CT met 5 primaire windingen en 1.000 secundaire windingen heeft een effectieve verhouding van 1.000:5, of 200:1, waarbij een primaire 5-winding een grotere flux aanstuurt voor dezelfde lijnstroom dan een primaire met één staaf zou doen.

CT's van het wondtype zijn doorgaans duurder dan staaf- of raamtypes bij dezelfde stroomsterkte, omdat het extra wikkelproces arbeid toevoegt en de isolatie van de primaire geleider geschikt moet zijn voor de volledige lijn-tot-lijnspanning van het systeem.

Split Core-stroomtransformator: constructie en toepassingen

De gesplitste kernstroomtransformator lost een specifiek praktisch probleem op: hoe installeer je een stroomtransformator op een geleider die niet spanningsloos of losgekoppeld kan worden. De magnetische kern is in twee helften verdeeld langs een nauwkeurig bewerkte verbinding. Een scharnier- of grendelmechanisme houdt de helften gesloten tijdens gebruik en maakt het mogelijk ze van elkaar te scheiden voor installatie.

Wanneer de kernhelften open zijn, kan de CT rond een stroomvoerende kabel worden geplaatst. Eenmaal gesloten en vergrendeld, is het magnetische circuit compleet en functioneert het apparaat op dezelfde manier als een massieve toroïdale CT van gelijkwaardige afmetingen.

De key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Precisiebewerking van de pasvlakken tot toleranties onder de 10 micrometer
• Gebruik van kernmaterialen met hoge permeabiliteit die toleranter zijn voor kleine resterende openingen
• Veerbelaste grendels die een consistente klemkracht uitoefenen om de helften stevig op elkaar te houden
• Nanokristallijne of amorfe kernmaterialen, die een lagere fout behouden, zelfs bij een enigszins imperfecte sluiting

Split-core CT's worden veel gebruikt bij energie-auditing, het bouwen van energiebeheersystemen, achteraf aangebrachte stroombewakingspanelen en elke toepassing waarbij installatie moet worden uitgevoerd zonder het bewaakte circuit uit te schakelen. Ze zijn verkrijgbaar in nauwkeurigheidsklassen van klasse 1 tot en met klasse 0,5, afhankelijk van het kernmateriaal en de verbindingskwaliteit.

Ringkernstroomtransformator: waarom de ringvorm domineert

De toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

Magnetische efficiëntie van de ringkern

Omdat de magnetische flux volledig in het kernmateriaal circuleert in een torusvormig ontwerp, ontsnapt er in wezen geen flux in de omringende lucht. Dit heeft twee praktische gevolgen. Ten eerste is de magnetiserende stroom die nodig is om de werkflux tot stand te brengen erg laag, wat de verhoudingsfout en faseverschuiving direct vermindert. Ten tweede is de toroïdale CT veel minder gevoelig voor de positie van de primaire geleider binnen het venster (een eigenschap die positionele foutimmuniteit wordt genoemd) vergeleken met ontwerpen met rechthoekige kern.

In een goed ontworpen torusvormige CT introduceert het verplaatsen van de primaire geleider van het midden van het venster naar een niet-gecentreerde positie een extra verhoudingsfout van minder dan 0,05%. In een CT met rechthoekige kern kan dezelfde verplaatsing fouten van meer dan 0,3% introduceren.

Productie van ringkernen

Ringkernen voor stroomtransformatoren worden op een van de drie manieren vervaardigd, afhankelijk van het doelmateriaal:

1. Met tape gewikkelde kernen — Een doorlopende strook van siliciumstaal, een nikkel-ijzerlegering of een nanokristallijn lint wordt in een spiraal rond een doorn gewikkeld en vervolgens met warmte behandeld om de mechanische spanning die tijdens het opwikkelen ontstaat, te verlichten. Deze methode wordt gebruikt voor de hoogste nauwkeurigheidsgraden.
2. Gestapelde lamineerkernen — Individuele geponste lamellen worden gestapeld en verweven om een ring te vormen, die vaak wordt gebruikt voor kernen met een grotere diameter waarbij het opwikkelen van de tape overmatige interne spanning zou veroorzaken.
3. Poedervormige of gesinterde ferrietkernen — Gebruikt voor hoogfrequente toepassingen; het ferriet wordt in een ringkernvorm geperst en bij hoge temperatuur gesinterd.

Isolatiesystemen in stroomtransformatoren

CT-isolatie moet twee functies tegelijkertijd vervullen: het isoleren van de primaire hoogspanningsgeleider van het secundaire laagspanningscircuit, en het beschermen van de wikkeling en de kernconstructie tegen aantasting door de omgeving. Het gekozen isolatiesysteem is afhankelijk van de nominale spanning, de omgevingsomgeving en de mechanische vereisten van de toepassing.

Harsinkapseling (gieten van epoxy of polyurethaan)

De majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• Biedt een diëlektrische sterkte van meer dan 3 kV/mm voor standaard epoxysystemen
• Elimineert het binnendringen van vocht zonder extra afdichting
• Beschermt de kern en wikkeling mechanisch tegen trillingen en schokken
• Maakt nauwkeurige dimensionale controle van het externe lichaam mogelijk voor paneelmontage

Vacuümdrukimpregnatie (VPI) wordt gebruikt voor grotere samenstellingen waarbij gieten onpraktisch is. De wikkeling wordt onder vacuüm ondergedompeld in hars om ingesloten lucht te verwijderen en vervolgens onder druk gezet om hars in elke holte te persen voordat het uithardt.

Oliegevulde isolatie

Hoogspanningsstroomtransformatoren met een vermogen boven 36 kV gebruiken doorgaans minerale olie als primair isolatie- en koelmedium. De gewikkelde kern en het secundaire samenstel worden in een afgesloten metalen tank geplaatst, gevuld met minerale olie van transformatorkwaliteit. Cellulosepapierisolatie wordt in meerdere lagen rond de primaire geleider gewikkeld, waardoor de kruipafstand wordt opgebouwd die nodig is om de lijnspanning te weerstaan.

Met olie gevulde CT's zijn de standaard voor 110 kV-, 220 kV- en 500 kV-installaties in transmissiesubstations. Regelmatige oliemonsters en analyses van opgeloste gassen stellen onderhoudsteams in staat beginnende degradatie van de isolatie op te sporen voordat er storingen optreden.

Gasgeïsoleerde stroomtransformatoren

In gasgeïsoleerde schakelapparatuur (GIS) installaties zijn stroomtransformatoren geïntegreerd in de GIS-behuizing en gebruiken ze zwavelhexafluoride (SF6) gas als isolatiemedium. Deze CT's profiteren van dezelfde compacte voetafdruk als de omringende schakelapparatuur en vereisen geen vloeistofonderhoud, hoewel het afgedichte gassysteem moet worden gecontroleerd op druk en zuiverheid.

Droge en luchtgeïsoleerde ontwerpen

Voor binneninstallaties in gecontroleerde omgevingen met spanningen tot ongeveer 36 kV bieden droge CT's die gebruik maken van vaste isolatiematerialen (harsgebonden glasvezel, giethars of Nomex) een alternatief voor met olie gevulde ontwerpen. Ze zijn lichter, elimineren het risico op olieverspilling en vereenvoudigen het onderhoud, hoewel ze gevoeliger zijn voor condensatie en vervuiling als ze worden gebruikt in ruige buitenomgevingen.

Classificatie van stroomtransformatoren op constructietype

De following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

Hoe de interne constructie de nauwkeurigheid en prestaties beïnvloedt

Het selecteren van de juiste stroomtransformator is niet alleen een kwestie van het matchen van de stroomverhouding. De interne constructie bepaalt hoe een CT zich binnen zijn werkingsbereik gedraagt, onder belastingsvariatie, bij verhoogde temperaturen en in de aanwezigheid van harmonischen.

Verhoudingsfout en zijn oorsprong

Er ontstaat een verhoudingsfout omdat de magnetiserende stroom – de stroom die nodig is om flux in de kern tot stand te brengen – niet in de secundaire uitvoer verschijnt. Alle magnetiserende stroom wordt uit de primaire stroom gehaald, maar geen enkele daarvan bereikt de last. Hoe groter de magnetisatiestroom ten opzichte van de primaire stroom, hoe groter de verhoudingsfout. Nikkel-ijzer- en nanokristallijne kernen, met hun zeer hoge permeabiliteit, vereisen veel minder magnetisatiestroom dan silicium-stalen kernen en bereiken daarom lagere verhoudingsfouten bij dezelfde kerndoorsnede.

Faseverschuivingsfout

Faseverschuiving is het hoekverschil, gemeten in boogminuten, tussen de primaire stroomfaser en de secundaire stroomfaser (omgekeerd voor richting). Faseverschuiving is vooral belangrijk bij het meten van arbeidsfactoren en energie, omdat zelfs een kleine hoekfout een cosinusafhankelijke fout introduceert in wattuurberekeningen. Een faseverschuiving van 10 minuten bij een belasting met een arbeidsfactor van 0,5 kan een energiemeetfout van ongeveer 0,5% opleveren.

Last en het effect ervan op de nauwkeurigheid

De secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Harmonische prestaties

In aandrijfinstallaties met variabele snelheid, boogovens en energiesystemen in datacentra bevat de primaire stroom een aanzienlijke harmonische inhoud – vaak op de 5e, 7e, 11e en 13e harmonischen. Standaard kernen van siliciumstaal vertonen toenemende verliezen en fasehoekvervorming bij harmonische frequenties. Nanokristallijne en amorfe kernen, met hun vlakke permeabiliteitscurve die zich uitstrekt tot enkele kilohertz, bieden een aanzienlijk betere nauwkeurigheid bij vervormde golfvormen en hebben de voorkeur voor klasse A power quality-analysatoren.

Buitenbehuizing en montageconfiguraties

De enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Paneelgemonteerde gegoten behuizing

Laagspannings-CT's voor meetpanelen worden vrijwel universeel geproduceerd in glasvezelversterkte polyester (GVK) of polycarbonaatbehuizingen gevormd door spuitgieten rond de gietharskernconstructie. De behuizing is voorzien van montagebeugels of DIN-railclips, secundaire klemmenblokken die geschikt zijn voor de verwachte uitgangsstroom en polariteitsmarkeringen (P1/P2 voor primair, S1/S2 voor secundair) volgens IEC-normen.

Stroomtransformatoren van het doorvoertype

Bus-CT's zijn ringvormige constructies die zijn ontworpen om over de porseleinen of polymeerbus van een stroomtransformator of stroomonderbreker te schuiven. Ze hebben geen eigen huisvesting; in plaats daarvan worden ze tussen de flens van de bus en het deksel van de transformatortank geklemd. Bus-CT's behoren tot de meest compacte ontwerpen, omdat de bus zelf voor de primaire geleider en spanningsisolatie zorgt.

Porselein en polymeer geïsoleerde ontwerpen voor buiten

Midden- en hoogspanningsstroomtransformatoren voor buitengebruik zijn ondergebracht in afgedichte constructies met isolatieschuren van porselein of siliconenrubbercomposiet. Het stalprofiel is ontworpen om voldoende kruipafstand te behouden onder vervuilingsomstandigheden. De IEC-norm vereist een minimale kruipsnelheid van 16 mm/kV voor licht vervuilde omgevingen en tot 31 mm/kV voor zwaar vervuilde locaties. Behuizingen van siliconenrubbercomposiet hebben porselein in nieuwe installaties grotendeels vervangen vanwege het lagere gewicht, de superieure vervuilingsprestaties in vervuilde omgevingen en de weerstand tegen brosse breuk.

Stroomtransformatoren integreren in meetsystemen

Een compleet stroommeetsysteem omvat de CT, de onderling verbonden bedrading en het ontvangende instrument. De gesplitste kernstroomtransformator heeft om deze reden vaak de voorkeur bij retrofit-meetprojecten; het kan worden geïnstalleerd zonder de service te onderbreken. Eenmaal geïnstalleerd, wordt de secundaire CT aangesloten op energiemeters, vermogensanalysatoren of beveiligingsrelais via speciale CT-circuits, die tijdens bedrijf te allen tijde gesloten moeten blijven om gevaarlijke secundaire overspanningsomstandigheden te voorkomen.

Nauwkeurigheidsnormen en klasseaanduidingen

De nauwkeurigheidsklassen van stroomtransformatoren worden gedefinieerd door internationale en regionale normen. De twee meest genoemde zijn IEC 61869-2 (voorheen IEC 60044-1) en IEEE C57.13. Het begrijpen van de klasseaanduidingen helpt bij het specificeren van de juiste CT voor de toepassing.

IEC-meetklassen

IEC 61869-2 definieert meetnauwkeurigheidsklassen als 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 en 3. Het achtervoegsel "S" (speciaal) geeft uitgebreide nauwkeurigheid bij lage stroom aan - met name moet de CT voldoen aan de verhoudingsfoutspecificatie tot 1% van de nominale stroom in plaats van de standaard 5%. Klasse 0,5S en 0,2S zijn onder veel regelgevingskaders vereist voor energiemeters van inkomstenkwaliteit, omdat belastingen vaak ver onder de 100% van de nominale primaire stroom van de CT werken.

IEC-beschermingsklassen

CT's van beschermingsklasse worden aangeduid op basis van hun nauwkeurigheidslimietfactor (ALF) en kniepuntgedrag. Klasse 5P en 10P zijn de standaardaanduidingen, waarbij het getal de maximale samengestelde fout aangeeft bij de nominale nauwkeurigheidslimietfactor. Een 5P20 CT handhaaft een samengestelde fout van niet meer dan 5% wanneer de primaire stroom 20 keer de nominale stroom is - de voorwaarde die nodig is voor een betrouwbare werking van overstroomrelais tijdens foutcondities.

IEEE-lessen

De IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

Veelgestelde vragen