Strujni transformator
Strujni transformator je tip transformatora koji se upotrebljava pri merenju struja velikih vrednosti koje bi inače bilo teško meriti nekom direktnom metodom kao i za relejnu zaštitu. Odnos primarne i sekundarne struje približno je obrnuto srazmeran odnosu broja primarnih i sekundarnih navojaka. Nominalna vrednost sekundarne struje je standardizovana i iznosi 5A za strujne transformatore za merenje i 5A ili 1A za strujne transformatore za relejnu zaštitu. Nominalna vrednost primarne struje zavisi od mesta primene strujnog transformatora i može da uzima vrednost od 1A do par hiljada ampera. Standardizovane vrednosti naznačene primarne struje su 5A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 40A, 50A, 60A, 75A i decimalni umnošci navedenih. Proizvode se i visokonaponski strujni transformatori čija je vrednost naznačene primarne struje i manja od 5A i to radi odvajanja visokog napona od mernih uređaja.
Razlikujemo strujne transformatore za niski napon i strujne transformatore za više naponske nivoe. Sem toga razlikujemo strujne transformatore za merenje i strujne transformatore za relejnu zaštitu (koji napajaju uređaje relejne zaštite).
Strujni transformatori za niski napon su najčešće izvedeni sa izolacijom od epoksidne smole (ponekad i od plastike) i to u vidu tzv. obuhvatnog transformatora. Sem epoksidne smole sreću se, posebno kod starijih izvedbi, i strujni transformatori sa keramičkom - najčešće porcelanskom - izolacijom. Ovi transformatori najčešće nemaju klasičan primarni namotaj već njegovu ulogu vrši provodnik (kakav izolovan kabal ili neizolovana šina) koji se provlači kroz sam strujni trasnformator - tj. strjuni transformator ga obuhvata. Prednost obuhvatnih niskonaponskih ST u odnosu na one sa klasičnim primarnim namotajem jeste jednostavnija montaža i praktično neograničena nazivna dinamička struja.
ST za srednje (6, 10, 20 i 35 kV) i visoke (110 kV i više) imaju značajno drugačiji izgled. Oni imaju klasičan primarni namotaj sa nekoliko zavoja i najčešće se tako prave da se jedan strujni transformator, prevezivanjem primarnog namotaja iz redne u paralelnu vezu, može iskoristiti za različite nominalne vrednosti struja. Tako se npr. ima strujni transformator za 2x600/5 A. To znači da se primarni namotaj sastoji iz dva dela koji se mogu tako povezati da maksimalna struja bude 600 ili 1200 A. Strujni transformatori za srednje napone se takođe najčešće rade sa izolacijom od epoksidne smole, dok se strujni transformatori za visoki napon izrađuju izolovani uljem ili, u novije vreme, gasom SF6 (sumpor-heksafluorid). Po konstrukciji razlikujemo strujni transformator za unutrašnju i spoljašnju montažu. ST za unutrašnju montažu mogu dalje biti potporni, koji se postavljaju u ćeliji na pod, ili provodni koji se postavljaju između pregrada ili zidova.
Potrebno je pomenuti još jedan tip ST za srednje napone, a to je tzv. Kablovski Transformator. Kablovski transformator je konstruktivno izveden kao obuhvatni s tim što za razliku od klasičnog obuhvatnog transformatora koji se radi za niske napone i obuhvata samo jednu žilu kabla ili samo jednu šinu, kablovski transformator se radi za srednje napone i obuhvata sve tri faze - celi kabal sa žilama svih faza, ako je kabal izveden kao trožilni, ili sve tri jednožilna kabla u slučaju voda sa jednožilnim kablovima. Njegova uloga je da u srednjenaponskom distributivnom sistemu sa izolovanom neutralnom tačkom otkrije strujnu nesimetriju faza, koja ukazuje na eventualni zemljospoj. Zbog toga se kroz njega provlače sve tri faze. Postavlja se na mestu gde kabal ulazi u SN postrojenje, i njegov sekundar se povezuje na zemljospojnu zaštitu. Da bi ispravno detektovao zemljospoj, metalni plašt i armatura kablova se moraju vratiti kroz ovaj transformator iz razloga što u slučaju zemljospoja i oni mogu nositi deo struje kvara.
Osnovni parametri strujnog transformatora su: nazivni naponski nivo za koji je predviđen, nazivna frekvencija, prenosni odnos ili konstanta strujnog transformatora, nazivna primarna i sekundarna struja, klasa tačnosti, prekostrujni broj ili faktor sigurnosti Fs, nominalna snaga svakog jezgra posebno u VA, trajna termička struja, termička klasa izolacije, broj jezgara, vrsta osnovne izolacije, nazivna kratrkotrajno podnosiva termička struja i nazivna podnosiva dinamička struja.
Potrebno je napomenuti da pri proticanju struje kroz primarni namotaj ST nije dozvoljeno ostaviti sekundarni namotaj otvoren - tj. u praznom hodu. Razlog ovome je što tada sva primarna struja magnetiše jezgru strujnog transformatora - ne postoje sekundarni amperzavojci koji bi bili u opoziciji primarnim amerzavojcima. To dovodi do ulaska strujnog transformatora duboko u zasićenje, do maksimalne vrednosti fluksa. Vremenska karaketeristika fluksa stoga ima gotovo kvadratni oblik. Usled nagle promene fluksa prilikom promene smera struje kroz primarni namotaj dolazi do indukovanja visoke vrednosti napona na sekundarnom namotaju (koji ima više zavojaka) - i to iz razloga što je ems indukovana na krajevima sekundara proporcionalna prvom izvodu fluksa po vremenu. Ovaj napon ima impulsni (nesinusoidalni karakrter) usled izrazite nelinearnosti gvožđa koja se ima pri ovako dubokim zasićenjima. Maksimalna trenutna vrednost ovog napona može postati tako velika (nekoliko hiljada volti) da ugrozi izolaciju strujnog transformatora i niskonaponskih mernih i zaštitnih uređaja priključenih na njega, kao i život ljudi koji bi eventualno došli u kontakt sa sekundarnim priključcima strujnog transformatora. Sem toga, pošto sva primarna struja utiče na magnetizaciju jezgra, ona se tako jako zagreva da najčešće u ovakvim slučajevima dolazi i do topljenja izolacije među limovima od kojih je jezgra sastavljena i do gubljenja magnetnih osobina ovih limova, čime strujni transformator postaje neupotrebljiv.
Greške kod strujnih mernih transformatora se dele na strujne i ugaone. Strujna greška predstavlja procentualnu razliku između primarne struje i sekundarne struje pomnožene konstantom strujnog transformatora. Po vrednosti ova greška može biti pozitivna i negativna, ali se u principu daje njena apsolutna vrednost. Ugaona greška predstavlja razliku faznih uglova primarne i sekundarne struje. Klasa tačnosti strujnog transformatora jeste dozvoljena strujna greška pri nominalnoj struji primara. Tako npr. kad se kaže da je strujni transformator klase tačnosti 0.5%, to znači da je pri nominalnoj primarnoj struji maksimalno dozvoljena greška od 0.5%. Ako je pak primarna struja manja od nominalne, ili veća preko 120% nominalne, strujna greška može biti i veća. Tako se npr. za strujni transformator klase tačnosti 0.5 dozvoljava greška od 0.75% ukoliko je struja primara 20% nominalne, i 1% ukoliko je struja primara 10% nominalne. Ništa se ne garantuje za slučaj primarne struje ispod 10% nominalne (naznačene) vrednosti, te se o ovome mora voditi računa prilikom izbora strujnog transformatora. Greška strujnog transformatora zavisi i od opterećenja koje stvaraju merni, pokazni i zaštitni uređaji vezani na sekundar ovog uređaja. Ukoliko je opterećenje manje od nominalnog (naznačenog na pločici strujnog transformatora), strujna greška može biti i veća od naznačene klase tačnosti. Po IEC propisima strujna greška mora biti u granici klase tačnosti za opterećenja na sekundaru od 1/4 do 4/4 nazivne (naznačene) snage strujnog transformatora. O ovome treba voditi računa prilikom izbora strujnog transformatora, jer novija digitalna merna i zaštitna oprema ima značajno manju potrošnju i aktivne i reaktivne energije od starije elektromehaničke i elektronske opreme. Osim toga tačnost zavisi i od faktora snage opterećenja sekundara i po IEC propisima (ali i VDE) klasa tačnosti važi do cos(fi)=0.8. Vrednosti klase tačnosti strujnog transformatora su standardizovane i mogu imati sledeće vrednosti: 0.1, 0.2, 0.5, 1 i 3%.
Navedene klase tačnosti strujnog transformatora odnosile su se na strujne transformatore za merenje. Strujni transformatori koji služe za relejnu zaštitu imaju drugačiji sistem obilježavanja. Potrebno je napomenuti da se ovi strujni transformatori mogu izvesti kao zasebni, ili češće, kao deo jednog ST sa dva jezgra. Tada jedno jezgro ima svoj sekundarni namotaj (za merenje npr.) a drugo jezgro istog strujnog transformatora ima tercijarni namotaj za relejnu zaštitu. Kod jezgra za merenje je naznačena vrednost primarne struje 5A, a kod jezgre za relejnu zaštitu je 5A ili 1A. Sem te razlike postoji i razlika u ponašanju prilikom toka velikih struja kroz primarni namotaj prilikom preopterećenja ili kratkog spoja u primarnom kolu. Za razliku od jezgri za merenje, jezgre za zaštitu treba da imaju visoku tačnost i pri strujama koje su desetak puta veće od naznačene primarne struje. Njihove klase tačnosti se obilježavaju na sledeći način: nPk gde je n broj koji kazuje koliku grešku u procentima pravi strujni transformator pri struji koja je k puta veća od naznačene primarne struje. Tako se imaju ST klase tačnosti 0.5 5P10 što znači da strujni transformator ima bar 2 jezgra, sekundarni merni namotaj sa klasom tačnosti 0.5% na jednom jezgru i tercijarni zaštitni namotaj na drugoj jezgri koji pri strujama 10 puta većim od nominalne pravi strujnu grešku od 5%. Primarni namotaj naravno obuhavata oba ova jezgra.
S obzirom da je elektromotorna sila indukovana u sekundarnom namotaju jednaka:
gde je:
- - broj zavojaka sekundara,
- - naznačena frekvencija
- - presek jezgra,
- - magnetna indukcija u jezgru,
dobija se da je snaga koja se prenosi na sekundar:
[VA],
gde je struja na sekundaru.
Strujni transformatori rade sa niskom vrednošću indukcije B da bi održali što veću tačnost, te se povećavanje snage strujnog transformatora postiže povećanjem preseka jezgra a. Ovo pogotovo važi za jezgra za zaštitu, koja pri nominalnoj struji moraju imati jako nizak fluks - a time i magnetnu indukciju - da ne bi ušli u zasićenje pri strujama kvara koje mogu biti desetak puta veće od normalnih. Dakle važi pravilo: veća snaga - veće jezgro - teži i veći strujni transformator. Snaga niskonaponskih strujnih transformatora je najčešće 5 ,10 ili 15 VA. Prilikom izbora snage strujog transformatora, osim snage uređaja koji se priključuju, treba voditi računa i o dužini poveznih vodova od strujnog transformatora do uređaja koje napaja. Ako su ovi vodovi jako dugački treba razmotriti ili povećanje naznačene snage strujnog transformatora ili smanjenje naznačene sekundarne struje sa 5A na 1A. Takođe, kao što je već rečeno, treba imati u vidu da podopterećen strujni transformator može imati veću strujnu grešku od propisane klasom tačnosti.
Jedan od bitnih parametara strujnog transformatora je faktor sigurnosti. Strujni merni transformator je tako projektovan da može trajno da radi sa 20% većom strujom od naznačene. Daljim porastom primarne struje strujni transformator ulazi u zasićenje, tako da mu počinje rasti greška merenja. Potrebno je napomenuti da se ne može sprečiti da dođe do porasta primarne struje iznad 120% nominalne vrednosti. Preopterećenja i kratki spojevi su u mreži nepredvidivi događaji koji se ne mogu sprečiti. Kvalitet zaštite određuje kako brzo će doći do isključenja ovih događaja u mreži. Na neki način je potrebno zaštiti uređaje vezane za sekundar, čija je naznačena struja najčešće 5A. S obzirom da, kako je već rečeno, sekundar ST ne sme ostati otvoren nije dozvoljena zaštita topljivim osiguračima. Mehanizam zaštite je iskorištenje prirodne osobine jezgra da pri povećanju struje magnetizacije iznad određene vrednosti karakteristika magnećenja dolazi do kolena tj. ulazi u zasićenje. Na taj način raste greška strujnog transformatora, što je dobro jer je sekundarna struja tada manja nego što bi bila u slučaju da je jezgra magnetski linearna. Faktor sigurnosti ili prekostrujni broj strujnog transformatora predstavlja relativnu vrednost primarne struje u odnosu na naznačenu na pločici pri kojoj strujna greška ST prelazi 10%. Treba napomenuti da se ovaj faktor određuje za nominalno opterećen strujni transformator kao i da se ovaj faktor određuje samo za mernu jezgru, dok kod zaštitne jezgre, kao što je već pomenuto, zasićenje ne sme nastupiti ni pri mnogo većim strujama od nominalne.
Prekostrujni broj (sačinilac prekomijerne struje) pokazuje ponašanje strujnog mijernog transformatora u područiju iznad nazivne struje. Neki potrošači priključeni na sekundar SMT zahtijevaju da se veliki porast primarne struje (kratki spoj) ne preslikava linearno (vijerno) na sekundar, to su mijerni instrumenti kod kojih bi kratki spoj izazvao oštećenje. Drugi potrošači zahtijevaju linearno (vijerno) preslikavanje struje primara na sekundar, to su uređaji za zaštitu (releji za razne zaštite) da bi mogli da reaguju u slučaju kratkog spoja.
Na prostoru bivše SFRJ je postojalo nekoliko proizvođača strujnih transformatora. Najpoznatiji su bili:
