Przekładniki napięciowe i prądowe

Przekładniki prądowe i napięciowe, nazywane także transformatorami prądu (Current Transformers) lub napięcia (Voltage Transformers) służą do pośredniego pomiaru i regulacji podstawowych wielkości elektrycznych (prądu, napięcia, mocy, częstotliwości, współczynnika mocy). Są także głównym źródłem sygnałów w układach automatyki elektroenergetycznej. W znacznym stopniu przyczyniają się do zapewnienia niezawodności i bezpiecznej pracy wielu urządzeń elektroenergetycznych. Przekładniki klasyczne (indukcyjne) często pełnią również funkcję przetwornika pierwotnego w przekładnikach niekonwencjonalnych.

Przekładnik napięciowy jest transformatorem (jednofazowym lub trójfazowym) o niewielkiej mocy znamionowej i niskim napięciu zwarcia. Przekładnik ten powinien charakteryzować się małym rozproszeniem oraz małą wartością prądu jałowego. Zagadnieniem bardzo ważnym i trudnym jest właściwe wykonanie jego izolacji WN. Chodzi tu zarówno o izolację główną (między uzwojeniami pierwotnym i wtórnym), jak i izolację szeregową uzwojenia pierwotnego. Przekładniki napięciowe są stosowane – już przy napięciach liniowych od 400 V – w stacjach elektroenergetycznych, podstacjach sieci rozdzielczych, rozdzielniach zakładowych, laboratoriach wysokiego napięcia oraz jako transformatory zasilające niektóre obwody lub jako transformatory probiercze. Przekładnik prądowy powinien się charakteryzować również bardzo małym rozproszeniem i znikomym prądem jałowym.

Znamionowe prądy pierwotne wynoszą od kilkudziesięciu A do kilku kA, ale są również konstrukcje (w stalowniczych piecach łukowych), których prądy pierwotne wynoszą np. 50 kA. Przekładnik kombinowany (Combined Transformer), zwany również dawniej zespołem przekładnikowym prądowonapięciowym, we wspólnym zbiorniku lub izolatorze zawiera dwa przekładniki (człony): prądowy i napięciowy. Korzyści wynikające ze stosowania przekładników kombinowanych polegają na zastąpieniu dwóch przekładników – jednym, tańszym i zajmującym mniej miejsca niż dwa oddzielne przekładniki. Mniejsze koszty (niekiedy nawet o 50%) wynikają z mniejszej masy takiej konstrukcji i niższych kosztów zastosowanej izolacji, której wartość, szczególnie w konstrukcjach wysokonapięciowych, może obecnie stanowić ponad 50% ceny całego przekładnika.

Nieustanny rozwój elektroenergetyki wiąże się ze wzrostem znamionowych wartości napięć i prądów jej aparatury, co prowadzi do wzrostu parametrów i wymagań w stosunku do przekładników prądowych, napięciowych oraz, coraz częściej stosowanych w ostatnich latach, przekładników kombinowanych. Zwiększeniu uległo również pasmo częstotliwości, w którym pracują przekładniki energetyczne (szczególnie prądowe).

Względnie duże gabaryty i masa, a także cena tradycyjnych przekładników, zmuszają do stosowania przekładników niekonwencjonalnych. Dotyczy to szczególnie układów zabezpieczeniowych i głównie w odniesieniu do najwyższych napięć, tzn. 400 kV i powyżej, dla których oszczędności wynikające z rezygnacji z tradycyjnych układów izolacyjnych są znaczne. Konstrukcje niekonwencjonalne muszą jednak być wykonane tak, aby spełniały dodatkowo dość ostre wymagania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej zarówno co do odporności na zakłócenia (zaburzenia), jak i emisyjności tych zakłóceń. Zostały już opracowane i są stosowane przekładniki optoelektroniczne, które spełniają wymagania metrologiczne i niezawodnościowe oraz charakteryzują się małymi gabarytami i masą. Cyfrowe łącza światłowodowe wykorzystywane w układach z tymi przekładnikami umożliwiają niezawodną transmisję danych oraz zapewniają dobrą współpracę z układami cyfrowymi szeroko stosowanymi we współczesnej automatyce zabezpieczeniowej.

Rozwój nowych technologii materiałów magnetycznych daje możliwości poprawy właściwości obwodów magnetycznych, czyli również parametrów metrologicznych przekładników. Szczególnie dotyczy to przekładników do rozliczeń i badania jakości energii elektrycznej i niektórych typów do stanów przejściowych oraz pracujących przy podwyższonych częstotliwościach. Stosowane obecnie nowe materiały izolacyjne (np. izolacja gazowa SF6, izolatory kompozytowe) spowodowały wprowadzenie innych niż poprzednio rozwiązań układów izolacyjnych przekładników. Wszystkie te zmiany przyczyniły się do powstania nowych konstrukcji przekładników prądowych i napięciowych, a ostatnio – głównie kombinowanych.

Zmienił się również proces projektowania przekładników poprzez wprowadzenie komputerowych programów obliczeniowych wykorzystujących metody polowo-obwodowe, które w istotny sposób poprawiły efekty obliczeń pól magnetycznego i elektrycznego projektowanych konstrukcji.

Klasyfikacja przekładników

Szeroki zakres napięć i prądów występujących w układach elektroenergetycznych, różne cele i wymagania stawiane przekładnikom oraz odmienne miejsca ich instalowania, warunki klimatyczne i środowiskowe, narzucają różnorakie rozwiązania konstrukcyjne przekładników. Podział ich na określone rodzaje może być dokonany z wykorzystaniem różnych kryteriów. Zasadniczy podział przekładników, ze względu na ich zasadę działania, wyodrębnia przekładniki:

• konwencjonalne (indukcyjne), w których wykorzystuje się zasadę transformacji wynikającą ze zjawiska indukcji elektromagnetycznej, oraz 
• niekonwencjonalne (elektroniczne, optoelektroniczne) wykorzystujące różne zjawiska fizyczne, w których sygnał proporcjonalny do napięcia lub prądu pierwotnego jest przesyłany z linii WN do uziemionych urządzeń przetwarzających.

W przekładnikach elektronicznych przetwornikiem pierwotnym może być przekładnik indukcyjny lub dzielnik napięcia. W przekładnikach optoelektronicznych napięciowych przetwornikiem są elektrooptyczne czujniki Pockelsa lub Kerra, a w przekładnikach prądowych magnetooptyczne czujniki Faradaya.

Przykładowe układy konwencjonalnych przekładników napięciowych przedstawiono na rysunku 1. [5]. W zależności od sposobu przyłączenia przekładnika napięciowego do sieci jest izolowany tylko jeden z zacisków (w jednofazowym – zacisk A) lub muszą być izolowane obydwa zaciski jego uzwojenia pierwotnego. Są to odpowiednio konstrukcje: jednobiegunowe lub dwubiegunowe. Przekładniki jednobiegunowe są uziemiane, a dwubiegunowe – nieuziemiane (w obwodzie pierwotnym). Przekładnik uziemiany jednofazowy ma jeden zacisk uzwojenia pierwotnego bezpośrednio uziemiony, a w przekładniku trójfazowym punkt neutralny uzwojenia pierwotnego jest bezpośrednio uziemiony. Uzwojenia wtórne przekładników są obowiązkowo uziemiane. Uziemiony powinien być jeden z zacisków uzwojenia wtórnego lub punkt neutralny połączenia gwiazdowego. W grupie przekładników uziemianych, w zależności od liczby ich członów, można wyróżnić przekładniki jednostopniowe lub kaskadowe (rys. 1f). Przekładniki trójuzwojeniowe mają dodatkowe uzwojenie wtórne przewidziane do łączenia w otwarty trójkąt. W normie to uzwojenie nazywa się uzwojeniem do wytwarzania napięcia resztkowego (zaciski da, dn).

Wyodrębnioną grupą są przekładniki napięciowe z otwartym obwodem magnetycznym, które noszą nazwę przekładników kolumnowych. Są to konstrukcje o małej masie i są tańsze w porównaniu do typowych rozwiązań.

Typowe rozwiązania konstrukcyjne

Rozwiązanie konstrukcyjne przekładnika napięciowego, czyli usytuowanie uzwojeń oraz rdzenia determinujące jego układ izolacyjny, zależy od przeznaczenia przekładnika w określonym układzie połączeń, czyli od tego, czy przekładnik ma być jednobiegunowy, czy dwubiegunowy. W przekładnikach jednofazowych, jednobiegunowych jeden zacisk uzwojenia pierwotnego (zacisk N) ma odpowiednio zmniejszoną (obniżoną) izolację zarówno w czasie pracy, jak i w trakcie badań jest uziemiony. Izolacja główna przekładnika separuje (izoluje) uzwojenie pierwotne od uzwojenia wtórnego oraz rdzenia i obudowy. Izolację główną przekładnika można wykonać jako: papierowo-olejową, gazową (SF₆) lub żywiczną. W przeciwieństwie do przekładników prądowych, gdzie izolacją może być sam gaz, w przekładnikach napięciowych niezbędna jest izolacja międzywarstwowa, która najczęściej wykonana jest z folii syntetycznych. Przekładniki jednofazowe dwubiegunowe mogą być wykonywane jako konstrukcje z obwodem magnetycznym uziemionym lub z obwodem magnetycznym o potencjale wysokim, zależnym od sposobu wykonania uzwojenia pierwotnego. W konstrukcjach dwubiegunowych z uziemionym obwodem magnetycznym izolacja główna występuje między całym uzwojeniem pierwotnym wraz z jego zaciskami (biegunami) a rdzeniem, uzwojeniem wtórnym i obudową. W pozostałych przekładnikach dwubiegunowych izolacja główna separuje uzwojenie pierwotne od wtórnego.

W przekładnikach jednobiegunowych izolacja jest stopniowana, tzn. jest ona pełna między biegunem izolowanym a ziemią, zaś zróżnicowana między poszczególnymi częściami uzwojenia pierwotnego a ziemią – w zależności od największego potencjału występującego w danym miejscu uzwojenia.

Na rysunku 2. pokazano dwa typowe rozwiązania przekładników dwubiegunowych jednofazowych o dwóch różnych obwodach magnetycznych [3, 5]:

• przekładnik z rdzeniem ramkowym na potencjale ziemi i uzwojeniem wtórnym cylindrycznym umieszczonym wewnątrz pierwotnego uzwojenia wielocewkowego (rys. 2a). W konstrukcji takiej uzwojenia mogą być podzielone na dwie połowy i umieszczone na dwóch kolumnach rdzenia,
• przekładnik z rdzeniem płaszczowym o wysokim potencjale i uzwojeniu wtórnym zewnętrznym na potencjale ziemi. Uzwojenie pierwotne jest dwucewkowe o przekroju trapezowym (rys. 2b).

Rodzaj elementu będącego na potencjale ziemi decyduje o układzie izolacyjnym przekładnika, natomiast wzajemne usytuowanie uzwojeń wpływa zarówno na rezystancję, jak i na reaktancję rozproszenia uzwojeń, czyli na błędy przekładnika. Najmniejsza reaktancja rozproszenia jest wtedy, gdy uzwojenia są cylindryczne, współosiowe i uzwojenie pierwotne jest usytuowane na zewnątrz. Z porównania konstrukcji o rdzeniu płaszczowym i ramkowym wynika, że lepsza, zarówno z punktu widzenia strumienia rozproszenia, jak i ogólnej masy, jest konstrukcja z rdzeniem płaszczowym.

Przekładniki prądowe mają uzwojenie pierwotne wykonane jako zwojnicowe lub prętowe (szynowe). W przypadku uzwojenia pierwotnego prętowego tor pierwotny może być symetryczny prostoosiowy lub wygięty, np. w kształcie liter U, δ, lub Ω. Konstrukcje takie stosuje się w przekładnikach wysokonapięciowych przelotowych, napowietrznych lub wnętrzowych. Uzwojenie wtórne (zawsze zwojnicowe) może być rozmieszczone na jednej lub dwóch kolumnach, lub niekiedy na czterech częściach rdzenia prostokątnego. W przypadku dwóch lub czterech cewek uzwojenia wtórnego łączy się je szeregowo, lub równolegle. Na rdzeniu toroidalnym uzwojenie wtórne wykonuje się jako jednoczęściowe, dwuczęściowe lub trójczęściowe. Najmniejszą reaktancję rozproszenia uzwojenia wtórnego (praktycznie X₂=0) przekładnika prądowego uzyskujemy wówczas, gdy na rdzeniu toroidalnym zostanie nawinięte równomiernie uzwojenie wtórne jednoczęściowe, a uzwojeniem pierwotnym jest pręt prostoosiowy w środku okna rdzenia lub uzwojenie to jest zwojnicowe, również równomiernie nawinięte na całym obwodzie rdzenia [6].

W przekładniku kombinowanym obydwa człony mają obecnie oddzielne obwody magnetyczne (umieszczone w dolnej i górnej części przekładnika). Mogą mieć po kilka obwodów wtórnych (uzwojeń), które są wykorzystane do pomiaru, bądź do zabezpieczeń. Człon napięciowy jest przekładnikiem z jednym biegunem uziemionym (rys. 3.).

Przekładniki kombinowane wykonywane są przede wszystkim na napięcia 123–245–420 kV, lecz bywają również stosowane przy średnich napięciach. Dla napięć wyższych (420 kV, 525 kV i 765 kV) przekładniki te są izolowane gazem SF₆.

Rodzaje obwodów magnetycznych

Dokładność przekładnika zależy od parametrów jego obwodu magnetycznego, które w głównej mierze zależą z kolei od właściwości magnetycznych materiału rdzeniowego, ale również od jego kształtu i sposobu nawinięcia uzwojeń. Rdzenie współczesnych przekładników wykonywane są przede wszystkim z blachy krzemowej anizotropowej (w prądowych głównie z blachy Hi-B oraz w mniejszym stopniu laserowanej). W niektórych typach przekładników napięciowych – w celu ograniczenia skutków ferrorezonansu – stosuje się blachę izotropową. Kształt rdzenia zależy od rodzaju blachy magnetycznej i układu uzwojeń. Rdzenie przekładników napięciowych na ogół wykonywane są jako zaplatane, rzadziej jako zwijane.

Zasadnicze rodzaje rdzeni przekładników prądowych to: prostokątne zaplatane, toroidalne zwijane, przecinane i sklejane (o różnym kształcie). Rdzenie prostokątne mogą być jednookienne lub dwuokienne, przy czym częściej są stosowane rdzenie jednookienne. Typowe kształtki rdzeni zaplatanych oraz rodzaje rdzeni zwijanych przekładników prądowych i napięciowych pokazano na rysunku 4. [6, 7].

Rdzeń ramkowy ułożony z prostokątnych blaszek o jednym przecięciu (rys. 4a) pozwala na współosiowe umieszczenie uzwojeń na jednej kolumnie, rdzeń z blaszek w kształcie litery L (rys. 4b) – na dwóch kolumnach rdzenia, a kształtki z rysunku 4c umożliwiają wykonanie rdzenia płaszczowego, na którym uzwojenia są umieszczane współosiowo na środkowej kolumnie. Wymienione wyżej rdzenie są wykonywane z blachy elektrotechnicznej izotropowej nieorientowanej lub walcowanej na gorąco.

Rdzenie płaszczowe z blaszek w kształcie liter E, I (rys. 4e), wykonywane są najczęściej z blach anizotropowych, osiągają dość dobre właściwości magnetyczne, a ponadto cechują się niskimi kosztami wykonania i dlatego są często stosowane. Jednak w tej konstrukcji w niektórych częściach obwodu magnetycznego (zaznaczono na rysunku) kierunek magnesowania rdzenia nie jest zgodny z kierunkiem walcowania blachy i wówczas występuje pogorszenie właściwości obwodu magnetycznego. Sposób zaplatania blach o silnej anizotropii wpływa na rozkład strumienia w rdzeniu, od którego zależą straty mocy czynnej w rdzeniu oraz moc bierna magnesująca, czyli błędy przekładnika.

W rdzeniach zwijanych mimo zgodności kierunków walcowania i magnesowania na całej długości obwodu, właściwości magnetyczne rdzenia – po jego zwinięciu – znacznie się pogarszają i konieczne jest wyżarzanie rdzenia. Rdzenie zwijane toroidalne mają najlepsze właściwości, ale są stosowane tylko w konstrukcjach specjalnych. Częściej stosuje się rdzenie zwijane i przecinane, które następnie powinny być oszlifowane i dotarte. Są one używane w konstrukcjach jednofazowych (rys. 4i) lub trójfazowych (rys. 4j). Rdzenie przecinane po nałożeniu uzwojeń mogą być łączone klejem o specjalnych właściwościach magnetycznych. Rdzenie toroidalne o wielu szczelinach (rys. 4k) są stosowane w przekładnikach prądowych do stanów przejściowych (np. klasa TPZ).

W przypadku małych amperozwojów znamionowych (np. θzn=100 A lub mniej) trudno jest uzyskać żądane parametry metrologiczne przekładnika prądowego. Z tego względu stosuje się rdzenie składane, np. z blachy ET oraz permaloju 78Ni-Fe lub rdzenie z taśmy nanokrystalicznej. Najprostszą metodą jest składanie osiowe dwóch rdzeni toroidalnych o jednakowych średnicach wewnętrznej i zewnętrznej (rys. 4l). Jeżeli przestrzeń przewidziana na magnetowód jest niewystarczająca na takie ułożenie rdzenia, to stosuje się składanie promieniowe (rys. 4m).

Inna technologia jest stosowana przy wykonywaniu rdzeni zwijanych i przecinanych z taśmy amorficznej. Cięcie takiego rdzenia odbywa się partiami w różnych miejscach górnego jarzma (rys. 4n). Następnie jest on uformowany w określony kształt (np. prostokątny) oraz podlega obróbce termomagnetycznej, a po nałożeniu uzwojeń na kolumny, rdzeń jest zaplatany poprzez wsuwanie taśm w miejscach przecięcia. Rdzenie z taśmy amorficznej są bardzo wrażliwe na naprężenia mechaniczne, co w konsekwencji powoduje pogorszenie parametrów magnetycznych (wzrost prądu magnesującego). Ponadto taśmy amorficzne charakteryzują się znacznie większą twardością niż blachy krzemowe i są bardzo kruche. Z tego względu stosowanie taśm amorficznych w przekładnikach przy częstotliwościach sieciowych nie jest technicznie uzasadnione.

Indukcja znamionowa w rdzeniach przekładników prądowych ma małą wartość i powinna być dobierana w obszarze, w którym występuje maksymalna przenikalność magnetyczna. Na rysunku 5. pokazano charakterystyki magnesowania B=f(H), w początkowym zakresie zmian natężenia pola magnetycznego, dla trzech wybranych materiałów magnetycznych, mających obecnie duże znaczenie przy wykonywaniu rdzeni przekładników prądowych. Są to materiały:

• N-Cr – taśma nanokrystaliczna (Fe-CuNb)_77,5Si_15,5B₇ o grubości 0,03 mm,
• Mu – mumetal (permaloj) Ni₇₈Fe₂₂ o grubości 0,2 mm,
• ET4 – blacha walcowana na zimno Fe₉₇Si₃ o grubości 0,27 mm.

Różne nachylenia tych charakterystyk świadczą o różnych przenikalnościach magnetycznych dynamicznych, które decydują o właściwościach magnetycznych rdzenia i metrologicznych parametrach przekładnika.

Z wyznaczonych charakterystyk przenikalności magnetycznej μ_r=f(H) [6] dla tych materiałów wynika, że maksymalne przenikalności magnetyczne osiągają różne wartości i występują w różnych punktach charakterystyk magnesowania. Przykładowo, jeżeli rdzeń wykonany z taśmy nanokrystalicznej osiąga maksymalną przenikalność magnetyczną μ_rmax≈350000, to w rdzeniu z blachy ET4 przy takim natężeniu pola (H≈0,007 A/cm), przenikalność μr wynosi tylko około 2000. Różne są również wartości indukcji nasycenia B_s, które wynoszą: dla N-Cr B_s=1,13 T, dla Mu B_s=0,7T a dla ET4 B_s=1,75 T.

Rdzenie składane stosuje się wówczas, gdy należy sprostać wysokim wymaganiom metrologicznym i gabarytowym stawianym przekładnikom. Szczególnie jest to istotne w przekładnikach prądowych o niewielkich amperozwojach znamionowych, w których występują trudności z uzyskaniem jednocześnie odpowiedniej klasy dokładności i współczynnika bezpieczeństwa FS przekładnika. Rdzenie składane mogą być również stosowane w przekładnikach, które są przewidziane do obwodów o przebiegach odkształconych lub przy podwyższonych częstotliwościach. Obecnie na rdzenie mieszane najkorzystniej jest stosować blachy elektrotechniczne ET, które wykazują znaczną indukcję nasycenia, lecz małą przenikalność początkową, oraz taśmy niklowo-żelazowe NiFe, charakteryzujące się małą indukcją nasycenia, lecz znaczną przenikalnością początkową.

Dla takiego rdzenia istotne są wartości indukcji magnetycznej B′ i natężenia pola H′ (rys. 6.), przy których przecinają się ich charakterystyki magnesowania. Dla natężenia pola magnetycznego mniejszego od wartości H′ moc do obwodu wtórnego przekładnika jest przenoszona głównie przez rdzeń z permaloju, natomiast dla natężeń pola magnetycznego większych od natężenia H′ relacje są przeciwne – główny udział w przenoszeniu mocy ma rdzeń z blachy elektrotechnicznej ET. W punkcie, w którym krzywe się przecinają (np. dla prądu pierwotnego I₁=0,8 I_1n), indukcje w obydwu rdzeniach są jednakowe i równe są wówczas moce przenoszone przez dwie części rdzenia składanego do obwodu wtórnego.

W przypadku rdzeni składanych problemem jest odpowiedni dobór przekrojów obu części rdzenia w celu uzyskania wymaganej wypadkowej charakterystyki magnesowania obwodu magnetycznego przekładnika. Przy analizie pracy rdzenia składanego i projektowaniu takiego przekładnika najwygodniej jest posługiwać się odpowiednimi programami komputerowymi.

Literatura

1. W. W. Afanasjew, N. M. Adonjew, W. M. Kibel, J. M. Sirota, B. S. Stognij, Transformatory toka, Leningrad 1989.
2. R. Bauer, Die Messwandler, Berlin, Springer Verlag 1953.
3. J. Kopeček, M. Dvořák, Přistrojové transformatory, Praha 1966.
4. A. Koszmider, J. Olak, Z. Piotrowski, Przekładniki prądowe, WNT, Warszawa 1985.
5. R. Nowicz, Przekładniki napięciowe, Monografie Politechniki Łódzkiej 2003.
6. R. Nowicz, Obwody i pola magnetyczne przekładników, Monografie Politechniki Łódzkiej 2007.
7. W. Starczakow, Przekładniki, PWT, Warszawa 1959.
8. A. Wiszniewski, Przekładniki w elektroenergetyce, WNT, Warszawa 1992.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!