تعریف ترانسفورماتور جریان سه فاز و سناریوهای رایج آن

الفترانسفورماتور جریان سه فازبرای دستیابی به عملکرد خود بر اساس اصول بنیادی الکترومغناطیس عمل می‌کند. طراحی آن ساده اما برای نظارت ایمن بر سیستم‌های الکتریکی قدرتمند بسیار مؤثر است. درک عملکرد داخلی آن نشان می‌دهد که چرا سنگ بنای مدیریت شبکه برق است.

اصول عملیاتی اصلی

عملکرد ترانسفورماتور جریان توسط القای الکترومغناطیسی کنترل می‌شود، اصلی که توسط ... شرح داده شده است.قانون فارادیاین فرآیند امکان اندازه‌گیری جریان را بدون هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین مدار اولیه ولتاژ بالا و ابزارهای اندازه‌گیری فراهم می‌کند.کل این توالی در چند مرحله کلیدی آشکار می‌شود:

1. جریان اولیه بالایی از رسانای اصلی (سیم‌پیچ اولیه) عبور می‌کند.
2. این جریان، میدان مغناطیسی متناظری را در هسته آهنی ترانسفورماتور ایجاد می‌کند.
3. هسته مغناطیسیاین میدان مغناطیسی متغیر را به سیم‌پیچ ثانویه هدایت می‌کند.
4. میدان مغناطیسی جریانی بسیار کوچکتر و متناسب با آن را در سیم‌پیچ ثانویه القا می‌کند.
5. این جریان ثانویه سپس با خیال راحت به کنتورها، رله‌ها یا سیستم‌های کنترل برای اندازه‌گیری و تجزیه و تحلیل تغذیه می‌شود.

برای کاربردهای سه فاز، این دستگاه شامل سه مجموعه سیم‌پیچ و هسته است. این ساختار، اندازه‌گیری همزمان و مستقل جریان در هر یک از سیم‌های سه فاز را امکان‌پذیر می‌کند.

ساخت و اجزای کلیدی

یک ترانسفورماتور جریان از سه بخش اصلی تشکیل شده است: سیم پیچ اولیه، سیم پیچ ثانویه و یک هسته مغناطیسی.

• سیم پیچ اولیه: این هادی حامل جریان بالایی است که باید اندازه‌گیری شود. در بسیاری از طرح‌ها (CT های نوع میله‌ای)، اولیه به سادگی باسبار یا کابل اصلی سیستم است که از مرکز ترانسفورماتور عبور می‌کند.
• سیم پیچ ثانویهاین قطعه شامل تعداد زیادی دور سیم با ضخامت کمتر است که به دور هسته مغناطیسی پیچیده شده‌اند. این قطعه جریان کاهش‌یافته و قابل اندازه‌گیری را تولید می‌کند.
• هسته مغناطیسیهسته یک جزء حیاتی است که میدان مغناطیسی را از سیم‌پیچ اولیه به ثانویه متمرکز و هدایت می‌کند. جنس هسته مستقیماً بر دقت و کارایی ترانسفورماتور تأثیر می‌گذارد.

انتخاب ماده اصلی ضروری استبرای به حداقل رساندن اتلاف انرژی و جلوگیری از اعوجاج سیگنال. ترانسفورماتورهای با دقت بالا از مواد تخصصی برای دستیابی به عملکرد برتر استفاده می‌کنند.

نکته در مورد دقت:در دنیای واقعی، هیچ ترانسفورماتوری کامل نیست.خطاها می‌توانند از عوامل مختلفی ناشی شوندجریان تحریک مورد نیاز برای مغناطیسی کردن هسته می‌تواند باعث انحراف فاز و بزرگی شود. به همین ترتیب، کار کردن CT خارج از بار نامی آن، به ویژه در جریان‌های بسیار کم یا زیاد، خطای اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد. اشباع مغناطیسی، جایی که هسته دیگر نمی‌تواند شار مغناطیسی بیشتری را تحمل کند، نیز منجر به عدم دقت قابل توجهی، به ویژه در شرایط خطا، می‌شود.

اهمیت نسبت چرخش

نسبت دور، قلب ریاضی یک ترانسفورماتور جریان است. این نسبت، رابطه بین جریان در سیم‌پیچ اولیه و جریان در سیم‌پیچ ثانویه را تعریف می‌کند. این نسبت با تقسیم جریان نامی اولیه بر جریان نامی ثانویه محاسبه می‌شود.

نسبت ترانسفورماتور جریان (CTR) = جریان اولیه (Ip) / جریان ثانویه (Is)

این نسبت با تعداد دور سیم در هر سیم‌پیچ تعیین می‌شود. به عنوان مثال، یک CT با نسبت ۴۰۰:۵، هنگامی که ۴۰۰ آمپر از رسانای اولیه عبور می‌کند، جریان ۵ آمپر را در سمت ثانویه خود تولید می‌کند. این عملکرد کاهنده قابل پیش‌بینی برای هدف آن اساسی است. این عملکرد، یک جریان خطرناک و بالا را به یک جریان استاندارد و کم تبدیل می‌کند که برای دستگاه‌های اندازه‌گیری ایمن است. انتخاب نسبت دور صحیح برای مطابقت با بار مورد انتظار سیستم، برای اطمینان از دقت و ایمنی بسیار مهم است.

ترانسفورماتورهای جریان سه فاز در مقابل تک فاز

انتخاب پیکربندی مناسب ترانسفورماتور جریان برای نظارت دقیق و قابل اعتماد بر سیستم قدرت ضروری است. تصمیم گیری بین استفاده از یک واحد ترانسفورماتور جریان سه فاز یا سه ترانسفورماتور جریان تک فاز جداگانه به طراحی سیستم، اهداف کاربرد و محدودیت های فیزیکی بستگی دارد.

تفاوت‌های کلیدی ساختاری و طراحی

آشکارترین تفاوت در ساختار فیزیکی آنها و نحوه تعامل آنها با رساناها نهفته است.سی تی تک فازبرای احاطه کردن یک هادی الکتریکی واحد طراحی شده است. در مقابل، یک CT سه فاز می‌تواند یک واحد واحد و تجمیع شده باشد که هر سه هادی فاز از آن عبور می‌کنند، یا می‌تواند به مجموعه‌ای از سه CT تک فاز منطبق اشاره داشته باشد. هر رویکرد هدف متمایزی را در نظارت بر توان دنبال می‌کند.

مزایای خاص کاربرد

هر پیکربندی مزایای منحصر به فردی متناسب با نیازهای خاص ارائه می‌دهد. استفاده از سه CT تک فاز جداگانه، دقیق‌ترین و جزئی‌ترین نمای سیستم را ارائه می‌دهد. این روش امکان اندازه‌گیری دقیق هر فاز را فراهم می‌کند که برای موارد زیر بسیار مهم است:

• صورتحساب بر اساس درآمدنظارت با دقت بالا نیازمند یک سی‌تی‌اسکن اختصاصی در هر فاز است تا از صدور صورتحساب انرژی منصفانه و دقیق اطمینان حاصل شود.
• تحلیل بار نامتعادلسیستم‌هایی با بارهای تک فاز متعدد (مانند یک ساختمان تجاری) اغلب جریان‌های نابرابر در هر فاز دارند. CT های جداگانه این عدم تعادل را به طور دقیق ثبت می‌کنند.

یک CT سه فاز تک واحدی، که اغلب برای اندازه‌گیری باقیمانده یا توالی صفر استفاده می‌شود، با تشخیص هرگونه اختلاف خالص در جریان بین سه فاز، در تشخیص خطای زمین بسیار عالی عمل می‌کند.

چه زمانی یکی را به دیگری ترجیح دهیم

انتخاب به شدت به سیم‌کشی سیستم الکتریکی و هدف نظارت بستگی دارد.

برای کاربردهایی که بالاترین دقت را می‌طلبند، مانند سیستم‌های اندازه‌گیری یا نظارت بر درآمد با بارهای بالقوه نامتعادل مانند اینورترهای خورشیدی، با استفاده ازسه سی تیاستاندارد است. این رویکرد حدس و گمان را از بین می‌برد و از خوانش‌های نادرست که ممکن است در صورت عدم مصرف یا تولید یکسان برق در تمام فازها رخ دهد، جلوگیری می‌کند.

در اینجا چند دستورالعمل کلی آورده شده است:

• سیستم‌های سه فاز، چهار سیمه وای: این سیستم ها که شامل یک سیم نول هستند، برای دقت کامل به سه CT نیاز دارند.
• سیستم‌های دلتا سه فاز، سه سیمهاین سیستم‌ها فاقد سیم نول هستند. همانطور که گفته شد، دو CT اغلب برای اندازه‌گیری کافی است.قضیه بلوندل.
• بارهای متعادل در مقابل بارهای نامتعادلاگرچه می‌توان مقدار یک CT را در یک بار کاملاً متعادل ضرب کرد، اما این روش در صورت نامتعادل بودن بار، خطاهایی را ایجاد می‌کند. برای تجهیزاتی مانند واحدهای HVAC، خشک‌کن‌ها یا تابلوهای فرعی، همیشه از یک CT روی هر هادی برق‌دار استفاده کنید.

در نهایت، در نظر گرفتن نوع سیستم و الزامات دقت، منجر به پیکربندی صحیح CT خواهد شد.

چه زمانی از ترانسفورماتور جریان سه فاز استفاده می‌شود؟

الفترانسفورماتور جریان سه فازیک جزء اساسی در سیستم‌های الکتریکی مدرن است. کاربردهای آن فراتر از اندازه‌گیری ساده است. این دستگاه‌ها برای تضمین دقت مالی، محافظت از تجهیزات گران‌قیمت و امکان‌پذیر کردن مدیریت هوشمند انرژی در بخش‌های صنعتی، تجاری و خدماتی ضروری هستند.

برای اندازه‌گیری دقیق انرژی و صدور صورتحساب

مدیران تأسیسات و شرکت‌های آب و برق برای صدور صورتحساب به اندازه‌گیری‌های دقیق انرژی متکی هستند. در محیط‌های تجاری و صنعتی بزرگ، که مصرف برق قابل توجه است، حتی اشتباهات جزئی نیز می‌تواند منجر به اختلافات مالی قابل توجهی شود.ترانسفورماتورهای جریاندقت لازم برای این کار حیاتی را فراهم می‌کنند. آن‌ها جریان‌های بالا را تا سطحی کاهش می‌دهند که کنتورهای مقرون‌به‌صرفه بتوانند با خیال راحت و دقیق آن را ثبت کنند.

دقت این ترانسفورماتورها دلخواه نیست. این دقت تابع استانداردهای سختگیرانه بین‌المللی است که انصاف و ثبات در اندازه‌گیری برق را تضمین می‌کند. استانداردهای کلیدی عبارتند از:

• ANSI/IEEE C57.13: استانداردی که به طور گسترده در ایالات متحده برای ترانسفورماتورهای جریان اندازه‌گیری و حفاظتی استفاده می‌شود.
• ANSI C12.1-2024: این کد اصلی برای اندازه‌گیری برق در ایالات متحده است که الزامات دقت برای کنتورها را تعریف می‌کند.
• کلاس‌های IECاستانداردهای بین‌المللی مانند IEC 61869 کلاس‌های دقت مانند 0.1، 0.2 و 0.5 را برای اهداف صدور صورتحساب تعریف می‌کنند. این کلاس‌ها حداکثر خطای مجاز را مشخص می‌کنند.

نکته‌ای در مورد کیفیت توان:این استانداردها فراتر از اندازه جریان، خطای زاویه فاز را نیز در نظر می‌گیرند. اندازه‌گیری دقیق فاز برای محاسبه توان راکتیو و ضریب توان، که اجزای مهم فزاینده‌ای در ساختارهای صورتحساب‌های مدرن برق هستند، بسیار مهم است.

برای محافظت در برابر اضافه جریان و خطا

محافظت از سیستم‌های الکتریکی در برابر آسیب یکی از مهم‌ترین وظایف ترانسفورماتور جریان است. خطاهای الکتریکی، مانند اتصال کوتاه یا خطای زمین، می‌توانند جریان‌های عظیمی ایجاد کنند که تجهیزات را از بین برده و خطرات ایمنی جدی ایجاد می‌کنند. یک سیستم حفاظت کامل در برابر اضافه جریان برای جلوگیری از این امر با هم کار می‌کنند.

این سیستم سه بخش اصلی دارد:

1. ترانسفورماتورهای جریان (CT): اینها سنسورها هستند. آنها دائماً جریان عبوری از تجهیزات محافظت شده را کنترل می‌کنند.
2. رله‌های حفاظتی: این مغز است. سیگنال را از CT ها دریافت می‌کند و تصمیم می‌گیرد که آیا جریان به طور خطرناکی بالا است یا خیر.
3. قطع کننده مدار: این عضله است. این عضله فرمان قطع را از رله دریافت می‌کند و مدار را به صورت فیزیکی قطع می‌کند تا خطا متوقف شود.

CTها با انواع مختلف رله‌ها برای تشخیص مشکلات خاص ادغام می‌شوند. به عنوان مثال، یکرله اضافه جریان (OCR)وقتی جریان از سطح ایمن فراتر رود، قطع می‌شود و تجهیزات را از اضافه بار محافظت می‌کند.رله خطای زمین (EFR)با اندازه‌گیری هرگونه عدم تعادل بین جریان‌های فاز، نشت جریان به زمین را تشخیص می‌دهد. اگر یک CT در طول یک خطا اشباع شود، می‌تواند سیگنال ارسالی به رله را تحریف کند و به طور بالقوه باعث خرابی سیستم حفاظتی شود. بنابراین، CT های کلاس حفاظتی طوری طراحی شده‌اند که حتی در شرایط خطای شدید نیز دقیق باقی بمانند.

برای نظارت و مدیریت هوشمند بار

صنایع مدرن فراتر از حفاظت و صدور صورتحساب ساده حرکت می‌کنند. آنها اکنون از داده‌های الکتریکی برای بینش‌های عملیاتی پیشرفته ونگهداری و تعمیرات پیش‌بینانهترانسفورماتورهای جریان منبع اصلی داده برای این سیستم‌های هوشمند هستند. با بستنسی تی اسکن غیرتهاجمیمهندسان می‌توانند با اتصال به خطوط برق موتور، سیگنال‌های الکتریکی دقیقی را بدون ایجاد اختلال در عملیات به دست آورند.

این داده‌ها یک استراتژی قدرتمند تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌کننده را ممکن می‌سازد:

• اکتساب داده‌هاCTها داده‌های خام جریان خط را از ماشین‌آلات در حال کار دریافت می‌کنند.
• پردازش سیگنالالگوریتم‌های تخصصی این سیگنال‌های الکتریکی را پردازش می‌کنند تا ویژگی‌هایی را استخراج کنند که نشان‌دهنده سلامت دستگاه هستند.
• تحلیل هوشمندبا تجزیه و تحلیل این امضاهای الکتریکی در طول زمان، سیستم‌ها می‌توانند یک "دوقلوی دیجیتال" از موتور ایجاد کنند. این مدل دیجیتال به پیش‌بینی مشکلات در حال توسعه قبل از ایجاد خرابی کمک می‌کند.

این تجزیه و تحلیل داده‌های سی‌تی‌اسکن می‌تواند طیف گسترده‌ای از مشکلات مکانیکی و الکتریکی را شناسایی کند، از جمله:

• خطاهای بلبرینگ
• میله‌های روتور شکسته
• خروج از مرکز فاصله هوایی
• ناهم‌ترازی‌های مکانیکی

این رویکرد پیشگیرانه به تیم‌های تعمیر و نگهداری اجازه می‌دهد تا تعمیرات را برنامه‌ریزی کنند، قطعات را سفارش دهند و از خرابی‌های برنامه‌ریزی نشده و پرهزینه جلوگیری کنند و ترانسفورماتور جریان را از یک دستگاه اندازه‌گیری ساده به یک عامل کلیدی در ابتکارات کارخانه هوشمند تبدیل کنند.

چگونه CT سه فاز مناسب را انتخاب کنیم

انتخاب ترانسفورماتور جریان سه فاز صحیح برای قابلیت اطمینان و دقت سیستم ضروری است. مهندسان باید نیازهای خاص کاربرد، از جمله الزامات دقت، بار سیستم و محدودیت‌های نصب فیزیکی را در نظر بگیرند. یک فرآیند انتخاب دقیق، عملکرد بهینه را برای اندازه‌گیری، حفاظت و نظارت تضمین می‌کند.

درک کلاس‌های دقت

ترانسفورماتورهای جریان به کلاس‌های دقت طبقه‌بندی می‌شوندبرای اندازه‌گیری یا حفاظت. هر کلاس هدف مشخصی را دنبال می‌کند و استفاده از کلاس اشتباه می‌تواند منجر به ضرر مالی یا آسیب به تجهیزات شود.

• سی تی های اندازه گیریدقت بالایی را برای محاسبه و تحلیل بار تحت جریان‌های عملیاتی عادی فراهم می‌کند.
• سی تی های حفاظتیبرای مقاومت در برابر جریان‌های خطای بالا ساخته شده‌اند و عملکرد قابل اعتماد رله‌های حفاظتی را تضمین می‌کنند.

یک اشتباه رایج، استفاده از یک CT اندازه‌گیری با دقت بالا برای حفاظت است.این CTها می‌توانند در طول خطا اشباع شوند، که مانع از دریافت سیگنال دقیق توسط رله و قطع به موقع مدارشکن می‌شود.

نکته در مورد مشخصات بیش از حد:مشخص کردن یککلاس یا ظرفیت دقت غیرضروری بالامی‌تواند هزینه و اندازه را به طرز چشمگیری افزایش دهد. ساخت یک CT بزرگ ممکن است دشوار باشد و تقریباً غیرممکن است که در داخل تابلو برق استاندارد قرار گیرد، و آن را به یک انتخاب غیرعملی تبدیل می‌کند.

تطبیق نسبت CT با بار سیستم

نسبت CT باید با بار مورد انتظار سیستم الکتریکی هماهنگ باشد. نسبت اندازه گیری شده مناسب، عملکرد CT را در دقیق ترین محدوده خود تضمین می کند. یک روش ساده به تعیین نسبت صحیح برای یک موتور کمک می کند:

1. آمپر بار کامل (FLA) موتور را از روی پلاک آن پیدا کنید..
2. برای در نظر گرفتن شرایط اضافه بار، FLA را در ۱.۲۵ ضرب کنید.
3. نزدیکترین نسبت استاندارد CT را به این مقدار محاسبه شده انتخاب کنید.

برای مثال، یک موتور با جریان کل (FLA) برابر با ۳۳۰ آمپر، نیاز به محاسبه‌ی ... دارد.۳۳۰ آمپر * ۱.۲۵ = ۴۱۲.۵ آمپرنزدیک‌ترین نسبت استاندارد، ۴۰۰:۵ خواهد بود.انتخاب نسبت خیلی بالا، دقت را در بارهای کم کاهش می‌دهد..نسبت خیلی پایین می‌تواند باعث شود که CT در هنگام خطا اشباع شود.، سیستم‌های حفاظتی را به خطر می‌اندازد.

انتخاب فرم فاکتور فیزیکی مناسب

شکل فیزیکی یک ترانسفورماتور جریان سه فاز به محیط نصب بستگی دارد. دو نوع اصلی آن هسته جامد و هسته تقسیم شده است.

• سی تی های هسته جامدیک حلقه بسته دارند. نصاب‌ها باید هادی اولیه را جدا کنند تا آن را از هسته عبور دهند. این امر آنها را برای ساخت و سازهای جدید که در آنها می‌توان برق را قطع کرد، ایده‌آل می‌کند.
• سی تی های هسته ای مجزامی‌توان آن را باز کرد و دور یک هادی بست. این طرح برای مقاوم‌سازی سیستم‌های موجود عالی است زیرا نیازی به خاموش کردن برق ندارد.

انتخاب بین این نوع‌ها بستگی به این دارد که آیا نصب جدید است یا یک نوسازی و آیا قطع برق یک گزینه است یا خیر.

---

ترانسفورماتور جریان سه فاز وسیله‌ای حیاتی برای اندازه‌گیری ایمن جریان در سیستم‌های سه فاز است. کاربردهای اصلی آن تضمین صدور صورتحساب دقیق انرژی، محافظت از تجهیزات با تشخیص خطا و فعال کردن مدیریت هوشمند انرژی است. انتخاب مناسب بر اساس دقت، نسبت و ضریب شکل برای عملکرد قابل اعتماد و ایمن سیستم ضروری است.

نگاه به آیندهسی‌تی‌اسکن‌های مدرن بافناوری هوشمندوطرح‌های مدولارسیستم‌های قدرت را کارآمدتر می‌کنند. با این حال، اثربخشی آنها همیشه به انتخاب صحیح وشیوه‌های نصب ایمن.

سوالات متداول

اگر ثانویه CT باز بماند چه اتفاقی می‌افتد؟

مدار ثانویه باز خطر جدی ایجاد می‌کند. این مدار ولتاژ بسیار بالایی را در ترمینال‌های ثانویه القا می‌کند. این ولتاژ می‌تواند به عایق ترانسفورماتور آسیب برساند و خطر جدی برای پرسنل ایجاد کند. همیشه مطمئن شوید که مدار ثانویه اتصال کوتاه شده یا به بار متصل است.

آیا می‌توان از یک CT هم برای اندازه‌گیری و هم برای حفاظت استفاده کرد؟

توصیه نمی‌شود. سی‌تی‌های اندازه‌گیری در بارهای عادی به دقت بالایی نیاز دارند، در حالی که سی‌تی‌های حفاظتی باید در جریان‌های خطای بالا عملکرد قابل اعتمادی داشته باشند. استفاده از یک سی‌تی واحد برای هر دو هدف، دقت صورتحساب یا ایمنی تجهیزات را به خطر می‌اندازد، زیرا طرح‌های آنها عملکردهای متفاوتی را ارائه می‌دهند.

اشباع سی تی اسکن چیست؟

اشباع زمانی اتفاق می‌افتد که هسته ترانسفورماتور جریان متناوب (CT) نتواند انرژی مغناطیسی بیشتری را تحمل کند، معمولاً در طول یک خطای بزرگ. سپس ترانسفورماتور نمی‌تواند جریان ثانویه متناسبی تولید کند. این امر منجر به اندازه‌گیری‌های نادرست می‌شود و می‌تواند مانع از عملکرد صحیح رله‌های حفاظتی در طول یک رویداد بحرانی شود.

چرا جریان‌های ثانویه به صورت استاندارد ۱A یا ۵A تنظیم شده‌اند؟

استانداردسازی جریان‌های ثانویه در ۱ آمپر یا ۵ آمپر، قابلیت همکاری را تضمین می‌کند. این امر به کنتورها و رله‌های تولیدکنندگان مختلف اجازه می‌دهد تا به طور یکپارچه با هم کار کنند. این روش، طراحی سیستم، جایگزینی قطعات را ساده کرده و سازگاری جهانی را در صنعت برق ارتقا می‌دهد.