معرفی ترانسفورماتور جریان و اصول عملکرد آن

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، ترانسفورماتور جریان (Current Transformer) یا CT نوعی ترانسفورماتور ابزار دقیق است و برای تولید یک جریان متناوب در سیم‌پیچ ثانویه طراحی شده که متناسب با جریان اندازه‌گیری شده سیم‌پیچ اولیه آن است. ترانسفورماتور‌های جریان، جریان‌های فشار قوی را به یک مقدار بسیار پایین‌تر کاهش داده و با استفاده از یک آمپرسنج استاندارد، راهی ساده برای پایش ایمن جریان الکتریکی واقعی خط انتقال AC فراهم می‌کنند. اصول عملکرد یک ترانسفورماتور جریان، اندکی با ترانسفورماتور ولتاژ تفاوت دارد.

برخلاف ترانسفورماتور ولتاژ یا قدرت که قبلاً معرفی کردیم، سیم‌پیچ اولیه ترانسفورماتور جریان فقط از یک یا چند دور تشکیل می‌شود. این سیم‌پیچ می‌تواند یک دور تخت، یک سیم‌پیچ به دور یک هسته یا فقط یک هادی درون قاب ترانس باشد.


ترانسفورماتور جریان، اغلب به عنوان ترانسفورماتور سری شناخته می‌شود؛ زیرا سیم‌پیچی اولیه که هیچ‌گاه بیش از چند دور ندارد، با هادی حامل جریانی که بار را تغذیه می‌کند، سری است.

سیم‌پیچی ثانویه ترانسفروماتورِ جریان تعداد دور زیادی حول هسته ورقه‌ای با ماده مغناطیسی کم‌تلفات دارد. این هسته، سطح مقطع بزرگی دارد؛ به گونه‌ای که چگالی شار مغناطیسی ناشی از سیم‌ِ با سطح مقطع بسیار کمتر از هسته، بسته به اینکه چقدر جریان پایین بیاید تا خروجی یک جریان ثابت مستقل از بار داشته باشد، کم است.

تا زمانی که ولتاژ القایی سیم‌پیچ ثانویه، برای اشباع هسته به اندازه کافی بزرگ باشد، جریان خروجی را به فرم اتصال کوتاه (یک آمپرسنج) یا بار مقاومتی تأمین می‌کند.

برخلاف ترانسفورماتور ولتاژ، جریان اولیه یک ترانسفورماتور جریان به جریان بار ثانویه وابسته نیست؛ اما با یک بار خارجی کنترل می‌شود. جریان نامی استاندارد ثانویه، معمولاً یک آمپر یا برای جریان‌های اولیه بزرگتر، پنج آمپر است.

انواع ترانسفورماتور‌های جریان

سه نوع اصلی CT وجود دارد: اولیه سیم‌پیچی شده (Wound)، چنبره‌ای یا پنجره‌ای (Toroidal) و تیغه‌ای (Bar).

ترانسفورماتور جریان Wound: در این نوع ترانسفورماتور‌های جریان، سیم‌پیچی اولیه به صورت سری با هادی حاملِ جریانِ اندازه‌گیری شده گذرنده از مدار متصل است. اندازه جریان ثانویه به نسبت دور‌های ترانسفورماتور بستگی دارد.

ترانسفورماتور جریان Toroidal: این نوع ترانسفورماتور سیم‌پیچی اولیه ندارد. در واقع، خطی که جریان شبکه از آن می‌گذرد از درون سوراخ یا قاب ترانسفورماتور عبور می‌کند. برخی از ترانسفورماتور‌های جریان هسته بریده دارند و بدون اینکه نیازی به قطع مدار باشد، می‌توان هسته را باز کرده، سیم را از آن عبور داد و دوباره آن را بست.

ترانسفورماتور جریان Bar: در این نوع ترانسفورماتور در واقع از کابل یا شین مدار اصلی به عنوان سیم‌پیچی اولیه استفاده می‌شود که معادل یک دور است. این ترانسفورماتور‌ها از ولتاژ بالای سیستم ایزوله هستند و معمولاً در دستگاهی که جریان از آن می‌گذرد نصب می‌شود.


ترانس‌های جریان می‌توانند سطح جریان را از هزاران آمپر تا یک خروجی استاندارد ۵ یا ۱ آمپری در عملکرد عادی کاهش دهند. بنابراین، تجهیزات ابزار دقیق و کوچک و ادوات کنترلی می‌توانند در کنار ترانس‌های جریان مورد استفاده قرار گیرند؛ زیرا ترانس‌ها از خطوط توان ولتاژ بالا ایزوله هستند.

ترانسفورماتور‌های جریان کاربرد‌های اندازه‌گیری متنوعی دارند؛ مانند دستگاه‌های اندازه‌گیری ضریب توان، وات‌مترها، وات-ساعت‌مترها، رله‌های حفاظتی، یا سیم‌پیچ‌های قطع (Trip) در مدار مغناطیسی مدارشکن‌ها یا کلید‌های مینیاتوری.


عموماً ترانسفورماتور‌های جریان و آمپرمتر‌ها با یکدیگر به عنوان یک زوج مکمل مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این موارد، طراحی ترانسفورماتور جریان به گونه‌ای است که حداکثر جریان ثانویه آن متناظر با کل مقیاس آمپرمتر باشد. در اغلب ترانسفورماتور‌های جریان، یک نسبت دور معکوس تقریبی بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه وجود دارد. به همین دلیل است که کالیبراسیون ترانسفورماتور جریان عموماً برای یک آمپرمتر مشخص انجام می‌شود.

مقدار نامی ترانسفورماتور جریان

جریان نامی اغلب ترانسفورماتور‌های جریان استاندارد در ثانویه ۵ آمپر است و جریان‌های اولیه و ثانویه به عنوان یک نسبت، مثلاً ۱۰۰/۵ (صد به پنج) بیان می‌شوند. این بدین معنی است که جریان اولیه ۲۰ برابر بزرگتر از جریان ثانویه است؛ بنابراین وقتی جریان ۱۰۰ آمپری از سیم‌پیچ اولیه عبور کند، جریان سیم‌پیچ ثانویه ۵ آمپر خواهد بود. بر همین اساس، وقتی می‌گوییم یک ترانسفورماتور جریان ۵۰۰/۵ است، جریان خروجی ثانویه آن ۵ و جریان اولیه‌اش ۵۰۰ آمپر بوده که جریان اولیه ۱۰۰ برابر جریان ثانویه است.

با افزایش تعداد دور‌های سیم‌پیچی ثانویه (NS)، جریان آن نسبت به جریانی که در اولیه اندازه‌گیری می‌شود بسیار کمتر خواهد شد؛ زیرا وقتی NS افزایش می‌یابد، ISمتناسب با همان افزایش کاهش پیدا می‌کند. به عبارت دیگر، تعداد دور‌ها و جریان در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه تناسب معکوس با یکدیگر دارند.

یک ترانسفورماتور جریان، مانند سایر ترانسفورماتورها، باید در معادله آمپر-دور صدق کند:



در نتیجه، جریان ثانویه به صورت زیر به دست می‌آید:



نسبت دور و نسبت جریان ترانس با هم برابر هستند و از آن‌جایی که سیم‌پیچ اولیه معمولاً یک یا دو دور دارد و تعداد دور‌های سیم‌پیچی ثانویه چند هزار است، نسبت بین اولیه و ثانویه بسیار بزرگ خواهد بود. برای مثال، فرض کنید جریان نامی سیم‌پیچی اولیه ۱۰۰ آمپر و جریان خروجی سیم‌پیچی ثانویه ۵ آمپر است. آن‌گاه نسبت بین جریان‌های اولیه و ثانویه ۱۰۰ آمپر به ۵ آمپر یا ۲۰:۱ خواهد بود. به عبارت دیگر، جریان اولیه ۲۰ برابر بزرگ‌تر از جریان ثانویه است.

لازم به ذکر است که ترانسفورماتور جریانی با مقدار نامی ۱۰۰/۵ با ترانسفورماتور جریانی با مقدار نامی ۲۰/۱ یا هر ترانسفورماتوری با نسبت دور مشابه و مقادیر متفاوت یکسان نیست. دلیل این امر آن است که نسبت ۱۰۰/۵ به عنوان نسبت جریان خروجی/ورودی بیان می‌شود و نسبت ساده شده آن‌ها نیست. نسبت تعداد دور‌ها و جریان‌ها در ترانسفورماتور با هم تناسب عکس دارد.

تغییرات نسبتاً بزرگ در نسبت دور ترانس‌های جریان را می‌توان با اصلاح تعداد دور‌های اولیه قاب ترانس انجام داد که یک دور اولیه برابر با یک عبور است و بیش از یک عبور از قاب نسبت الکتریکی را اصلاح خواهد کرد.

در نتیجه، برای مثال، یک ترانس جریان با نسبت ۳۰۰/۵ را می‌توان با عبور سیم اولیه اصلی درون قاب به اندازه دو یا سه دور، به یک ترانس دیگر با نسبت ۱۵۰/۵ یا حتی ۱۰۰/۵ تبدیل کرد. شکل زیر این موضوع را نشان می‌دهد.


مثال

یک ترانس جریان را در نظر بگیرید که اولیه‌اش ۱ دور و ثانویه‌اش ۱۶۰ دور دارد و با یک آمپرمتر استاندارد با مقاومت درونی ۰ ٫ ۲ اهم مورد استفاده قرار می‌گیرد. وقتی جریان اولیه ۸۰۰ آمپر باشد، آمپرمتر باید تمام مقیاس انحراف داشته باشد. حداکثر جریان ثانویه و ولتاژ ثانویه روی آمپرمتر را محاسبه کنید.

حل: جریان ثانویه برابر است با:



ولتاژ آمپرمتر نیز به صورت زیر محاسبه می‌شود:



همان‌طور که می‌بینیم، از آن‌جایی که ثانویه ترانس جریان به آمپرمتر وصل می‌شود (و مقاومت بسیار کوچکی دارد)، افت ولتاژ دو سر سیم‌پیچی ثانویه در جریان اولیه کامل برابر با ۱ ولت است.

البته اگر آمپرمتر حذف شود، سیم‌پیچی ثانویه مدار باز می‌شود و بنابراین، ترانسفورماتور مانند یک ترانسفورماتور افزاینده عمل می‌کند. این به دلیل افزایش بسیار زیاد شار مغناطیس‌کنندگی در هسته ثانویه است.

در نتیجه، یک ولتاژ بزرگ در سیم‌پیچی ثانویه القا می‌شود که برابر با Vp (Ns/Np)است. برای مثال، فرض کنید ترانسفورماتور جریانی که بررسی کردیم، با ولتاژ ۴۸۰ فاز به زمین در یک سیستم سه فاز مورد استفاده قرار گیرد.



این ولتاژ بالا به این دلیل است که نسبت ولت به دور در سیم‌پیچی‌های اولیه و ثانویه تقریباً ثابت است و از آن‌جایی که VS=NS×VPو مقادیر NS و VP بزرگ هستند، VSنیز بسیار زیاد خواهد بود.

به همین دلیل، یک ترانسفورماتور جریان نباید وقتی که جریان از اولیه‌اش می‌گذرد، مدار باز شود یا بدون بار مورد استفاده قرار گیرد. این گفته مشابه این است که می‌گوییم یک ترانسفورماتور ولتاژ نباید اتصال کوتاه شود. اگر آمپرمتر (یا بار) حذف شود، باید یک اتصال بین ترمینال‌های ثانویه قرار داد تا از خطر شوک جلوگیری شود.

این ولتاژ بالا به این دلیل ایجاد می‌شود که وقتی ثانویه مدار باز می‌شود، هسته آهنی ترانسفورماتور به درجه بالایی از اشباع می‌رسد و چیزی برای جلوگیری از آن وجود ندارد. در نتیجه، یک ولتاژ ثانویه غیرعادی بسیار بزرگ تولید می‌شود که در مثالی که بررسی کردیم مقدار آن ۷۶٫۸ کیلوولت است. این ولتاژ بزرگ می‌تواند به عایق آسیب برساند یا اگر ترمینال‌های CT با یکدیگر اتصال پیدا کنند موجب شوک الکتریکی شود.

ترانسفورماتور جریان دستی

امروزه، انواع خاصی از ترانسفورماتور‌های جریان در دسترس هستند. یک نوع محبوب و قابل حمل که برای اندازه‌گیری جریان مدار به کار می‌رود، «کلمپ‌متر» (Clamp Meter) است.

کلمپ‌متر‌ها حول یک هادی حامل جریان باز و بسته می‌شوند و جریان را با تعیین میدان مغناطیسی اطراف آن، معمولاً روی یک نمایشگر دیجیتال نشان می‌دهند. هنگام قرائت جریان، چنگک کلمپ‌متر باید بسته باشد.



مشابه این کلمپ‌های دستی نوع ترانس جریان، ترانس‌های جریان هسته بریده نیز وجود دارند که یک سمت آن‌ها قابل جدا شدن است به گونه‌ای که هادی بار یا شین برای نصب آن قطع نشوند. این انواع برای جریان‌های ۱۰۰ تا ۵۰۰۰ آمپر مورد استفاده قرار می‌گیرند و اندازه قاب مربعی آن‌ها از ۱ تا ۱۲ اینچ است (۲۵ تا ۳۰۰ میلی‌متر).

جمع‌بندی

به عنوان جمع‌بندی می‌توان گفت که ترانسفورماتور جریان نوعی ترانسفورماتور ابزار دقیق است که برای تبدیل جریان اولیه به جریان ثانویه در یک بستر مغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. سیم‌پیچی ثانویه ترانس جریان، جریانی بسیار کوچکتر از جریان سیم‌پیچ اولیه را فراهم می‌کند که می‌توان از آن برای آشکارسازی اضافه جریان، کمبود جریان، جریان پیک یا جریان متوسط استفاده کرد.

اولیه یک ترانسفورماتور جریان همواره به صورت سری با هادی اصلی قرار داده می‌شود. برای سادگی اندازه‌گیری، جریان ثانویه نامی ۱ یا ۵ آمپر است. ثانویه یک ترانسفورماتور جریان هیچ‌گاه نباید مدار باز باشد.