ترانسفورماتورهای جریان (Current Transformers)، خروجی متناسب با جریان عبوری از سیم‌پیچ اولیه را درنتیجه‌ی پتانسیل ثابت دو سر این سیم‌پیچ، تولید می‌کنند.
ترانسفورماتور جریان (C.T) چیست ؟
ترانسفورماتور جریان (C.T.)، نوعی “ترانسفورماتور ابزاری” است؛ که برای تولید جریان متناوب در سیم‌پیچ ثانویه‌ی خود طراحی شده‌است؛ که متناسب با جریان اندازه‌گیری شده در سیم‌پیچ اولیه آن است. ترانسفورماتورهای جریان، جریان‌های ولتاژ بالا را به مقادیر بسیار کمتری کاهش می‌دهند و روشی مناسب برای نظارت (مانیتورینگ) ایمن بر جریان الکتریکی واقعی که در خط انتقال AC، با استفاده از یک آمپرمتر استاندارد شارش دارد؛ ارائه می‌دهند. اساس کار یک ترانسفوماتور جریان اصلی، کمی با ترانسفورماتور ولتاژ معمولی، متفاوت است.
خلاف ترانسفورماتور ولتاژ یا توان که پیش از این بررسی شد؛ ترانسفورماتور جریان، تنها از یک یا تعداد خیلی کمی دور به‌عنوان سیم‌پیچ اولیه‌ی آن، تشکیل شده‌است. این سیم‌پیچ اولیه، می‌تواند یک دور مسطح کویلی، از سیم‌های سنگین دور هسته پیچیده شده باشد یا فقط یک هادی خط باس باشد؛ که از طریق یک سوراخ مرکزی، مطابق شکل قرار می‌گیرد.
با توجه به نوع آرایش، ترانسفورماتور جریان، اغلب با نام ” ترانسفورماتور سری” نیز نامیده می‌شود؛ زیرا سیم‌پیچ اولیه که هرگز بیش از چند دور ندارد؛ در حالت سری با هادی حامل جریان است؛ که بار را تامین می‌کند.
با این وجود، سیم‌پیچ ثانویه، ممکن است؛ دارای تعداد زیادی دور کویل برروی یک هسته‌ی لمینت‌شده از مواد مغناطیسی با اتلاف کم باشد. این هسته، دارای سطح مقطع بزرگی است؛ به‌گونه‌ای که چگالی شار مغناطیسی ایجادشده با استفاده از سیمی با سطح مقطع بسیار کوچکتر، بسته به میزان جریان، باید پایین بیاید؛ درحالی که در تلاش است؛ تا یک خروجی جریان ثابت و مستقل از بار متصل، ایجادکند.
سیم‌پیچ ثانویه، جریانی را به یک مدار اتصال کوتاه، به‌صورت آمپرمتر، یا به یک بار مقاومتی، تا زمانی‌که ولتاژ القاشده در سیم‌پیچ ثانویه به اندازه‌ی کافی بزرگ شود؛ که هسته را اشباع نموده یا سبب خرابی ناشی از شکست ولتاژ بیش از حد شود؛ می‌رساند.
برخلاف ترانسفوماتور ولتاژ، جریان اولیه‌ی ترانسفورماتور جریان، به جریان بار ثانویه وابسته نیست، بلکه توسط یک بار خارجی کنترل می‌شود. جریان ثانویه معمولا با نرخ 1 آمپر یا 5 آمپر استاندارد برای مقادیر نرخ جریان اولیه‌ی بزرگتر تعیین می‌شود.
سه نوع اصلی ترانسفوماتور جریان وجود دارد:
پیچشی (Wound)
چنبره (Toroidal)
میله‌ای (Bar)
ترانسفورماتور جریان پیچشی : سیم‌پیچ اولیه‌ی این ترانسفورماتور به‌طور فیزیکی و به‌صورت سری به هادی متصل می‌شود؛ که جریان اندازه‌گیری شده را در مدار حمل می‌کند. مقدار جریان ثانویه به نسبت دور ترانسفورماتور بستگی دارد.
ترانسفورماتور جریان چنبره : این ترانسفورماتور دارای سیم‌پیچ اولیه نیست. درعوض خطی که شارش جریان در شبکه را حمل می‌کند؛ از طریق یک پنجره یا سوراخ از ترانسفورماتور چنبره عبور می‌کند. برخی از ترانسفورماتورهای جریان، دارای یک هسته‌ی تقسیم‌شونده هستند؛ که به آن اجازه می‌دهد؛ بدون قطع مداری که به آن متصل شده‌است؛ باز، نصب و بسته شود.
ترانسفورماتور جریان میله‌ای : این نوع ترانسفورماتور، از کابل واقعی یا باس-بار واقعی مدار اصلی به‌عنوان سیم‌پیچ اولیه استفاده می‌کند؛ که معادل یک دور است. این ترانسفورماتورها، کاملا از ولتاژ عملیاتی بالای سیستم، عایق هستند و معمولا به دستگاه حمل جریان، پیچ می‌شوند.
ترانسفورماتورهای جریان، می‌توانند سطوح جریان را از هزاران آمپر به یک خروجی استاندارد با نسبت 5 به 1 آمپر برای عملکرد عادی، تقلیل داده یا “کاهش دهند”. بنابراین، ابزار و وسایل کنترلی کوچک و دقیق را می‌توان با CT استفاده کرد؛ زیرا آنها به دور از هرگونه خطوط توان قوی و عایق هستند. انواع مختلفی کاربرد اندازه‌گیری و استفاده برای ترانسفورماتورهای جریان، مانند وات‌متر، متر ضریب توان، متروات ساعت، رله‌های محافظ یا به‌عنوان کویل در قطع‌کننده‌های مدار مغناطیسی یا MCB وجود دارد.
ساختار ترانسفورماتور جریان
در حالت کلی، ترانسفورماتورهای جریان و آمپرمترها باهم به‌عنوان یک جفت منطبق، استفاده می‌شوند؛ که در طراحی، ترانسفورماتور جریان به‌گونه‌ای است؛ که حداکثر جریان ثانویه مربوط به یک انحراف در مقیاس کامل را، روی آمپرمتر فراهم می‌کند. در اکثر ترانسفورماتورهای جریان، یک نسبت دور معکوس تقریبی بین دو جریان در سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، وجود دارد. به همین دلیل است؛ که کالیبراسیون CT عموما برای نوع خاصی از آمپرمتر است.
اکثر آمپرمترها دارای یک نرخ ثانویه‌ی استاندارد 5 آمپر هستند؛ که جریان اولیه و ثانویه به‌صورت نسبتی مانند 100/5 بیان می‌شود. این بدان معنا است؛ که جریان اولیه 20 برابر بیشتر از جریان ثانویه است. بنابراین، وقتی 100 آمپر در هادی اولیه جریان دارد؛ منجر به جریان 5 آمپر در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. یک ترانسفورماتور جریان، مثلا 500/5، یعنی 5 آمپر در سیم‌پیچ ثانویه و 500 آمپر در سیم‌پیچ اولیه تولید می‌کند و بنابراین 100 برابر بزرگتر است.
با افزایش تعداد سیم‌پیچ‌های ثانویه، Ns جریان ثانویه را می‌توان بسیار کوچکتر از جریان در مدار اولیه اندازه‌گیری کرد؛ زیرا با افزایش IS، NS با مقدار تناسب کاهش می‌یابد. به عبارت دیگر، تعداد دور و جریان در سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، با یکدیگر، نسبت معکوس دارند.
یک ترانسفورماتور جریان، مانند هر ترانسفورماتور دیگری، باید در معادله‌ی دورآمپر صدق کند و ما از آموزش‌های مربوط به ترانسفورماتورهای ولتاژ دو سیم‌پیچی می‌دانیم؛ که این نسبت دور برابر است با:
که از آن خواهیم داشت:
نسبت جریان، نسبت دورها را تعیین می‌کند و ازآنجایی‌که، سیم‌پیچ اولیه معمولا از یک یا دو دور تشکیل می‌شود؛ درحالی‌که، سیم‌پیچ ثانویه می‌تواند چند صد دور داشته‌باشد؛ نسبت بین اولیه و ثانویه می‌تواند بسیار زیاد باشد. برای مثال، فرض کنید؛ که جریان سیم‌پیچ اولیه 100 آمپر است. سیم‌پیچ ثانویه دارای نرخ استاندارد 5 آمپر است. پس نسبت بین جریان‌های اولیه و ثانویه 100 آمپر به 5 آمپر یا 20:1 است. به عبارت دیگر، جریان اولیه 20 برابر بیشتر از جریان ثانویه است.
با این حال؛ باید توجه داشت؛ که ترانسفورماتور جریان با نرخ 100/5 با ترانسفورماتور 20/1 یا زیربخش‌های 100/5 یکسان نیست. این امر، به این دلیل است؛ که نسبت 100/5 “نرخ جریان خروجی/ورودی” را بیان می‌کند و هدف بیان نسبت واقعی جریان اولیه به جریان ثانویه نیست. همچنین توجه داشته باشید؛ که تعداد دور و جریان در سیم‌پیچ اولیه و ثانویه، نسبت عکس دارند.
اما تغییرات نسبتا بزرگ در نسبت دور ترانسفورماتور جریان را می‌توان با اصلاح دورهای اولیه از طریق پنجره‌ی CT بدست آورد؛ که در آن یک دور اولیه برابر با یک عبور است و بیش از یک عبور از پنجره، منجر به تغییر نسبت الکتریکی می‌شود.
پس برای مثال، یک ترانسفورماتور جریان با رابطه‌ی 300/5 آمپر می‌تواند با گذراندن هادی اولیه‌ی اصلی از طریق پنجره‌ی داخلی برای 2 یا 3 بار به‌صورت شکل زیر، به 150/5 آمپر یا 100/5 آمپر تبدیل شود. این امر، به یک ترانسفورماتور جریان با ارزش بالاتر، اجازه می‌دهد؛ تا حداکثر جریان خروجی برای آمپرمتر را در زمان استفاده در خطوط جریان اولیه‌ی کوچکتر، فراهم کند.
نسبت دورهای اولیه ترانسفورماتور جریان
مثال 1- ترانسفورماتور جریان
یک ترانسفورماتور جریان نوع میله‌ای دارای 1 دور در سمت اولیه و 160 دور در سمت ثانویه است و باید با محدوده‌ی استاندارد آمپرمترهایی که مقاومت داخلی 0.2 اهم دارند؛ استفاده شود. هنگامی‌که جریان اولیه 800 آمپر است؛ آمپرمتر برای ایجاد انحراف در مقیاس کامل موردنیاز است. حداکثر جریان و ولتاژ ثانویه در آمپرمتر را محاسبه کنید.
جریان ثانویه:
ولتاژ دوسر آمپرمتر:
در بالا می‌بینیم؛ که ازآنجایی‌که سمت ثانویه‌ی ترانسفورماتور جریان، به دوسر آمپرمتر وصل شده‌است؛ که مقدار مقاومتی بسیار کمی دارد؛ افت ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه تنها 1 ولت در جریان اولیه‌ی کامل است.
با این‌حال، اگر آمپرمتر برداشته‌شود؛ سیم‌پیچ ثانویه به‌طور موثری مدارباز می‌شود و بنابراین، ترانسفورماتور به‌عنوان یک ترانسفورماتور افزایشی عمل می‌کند. این امر، تاحدی به‌دلیل افزایش زیاد شار مغناطیسی در هسته‌ی ثانویه است؛ زیرا راکتانس نشتی ثانویه بر ولتاژ القایی آن، به دلیل عدم وجود جریان مخالف برای جلوگیری از این امر، در این سیم‌پیچ، اثر می‌گذارد.
نتیجه‌ی این عمل، ولتاژ بسیار بالای القایی در سیم‌پیچ ثانویه است؛ که برابر با نسبت VP(NS/NP) می‌باشد؛ که در دوسر سیم‌پیچ ثانویه، ایجاد می‌شود. بنابراین برای مثال، فرض کنید؛ که ترانسفورماتور جریان در شکل بالا، در یک خط توان سه فاز 480 ولت به زمین، استفاده می‌شود. از این‌رو:
این ولتاژ بالا، به این دلیل است؛ که نسبت ولت در هردور در سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه تقریبا ثابت است و از آنجایی‌که VS=NS*VP است و NS و VP دارای ارزش زیادی هستند؛ پس ارزش VS نیز زیاد است.
به همین دلیل، ترانسفورماتور جریان، هرگز نباید در حالت مدار باز بماند یا بدون بار متصل شود؛ همانطور که ترانسفورماتور ولتاژ هرگز نباید در حالت اتصال کوتاه عمل کند. اگر قرار است؛ آمپرمتر( یا بار) برداشته شود؛ ابتدا باید یک اتصال کوتاه در دو سر پایانه‌های ثانویه ایجادشود تا خطر شوک از بین برود.
این ولتاژ بالا، به این دلیل است؛ که زمانی که سمت ثانویه مدار باز است؛ هسته‌ی آهنی با درجه‌ی اشباع بالایی کار می‌کند و هیچ چیز مانع آن نمی‌شود و درنتیجه، یک ولتاژ ثانویه‌ی غیرعادی بزرگ تولید می‌کند و در مثال ما در بالا، این مقدار برابر با 76.8 کیلوولت محاسبه شد! این ولتاژ ثانویه می‌تواند به عایق آسیب برساند یا درصورت برخورد تصادفی پایانه‌های CT باعث شوک الکتریکی شود.
ترانسفورماتورهای جریان دستی
درحال حاضر، انواع مختلفی از ترانسفورماتورهای جریان وجود دارد. یک نوع محبوب و قابل حمل که می‌تواند برای اندازه‌گیری بارگذاری مدار، استفاده شود؛ همانطور که نشان داده شده‌است؛ “کلمپ متر” نامیده می‌شود.
کلمپ‌مترها در اطراف یک هادی حامل جریان باز و بسته می‌شوند و جریان آن را با تعیین میدان مغناطیسی اطراف آن اندازه‌گیری می‌کنند و یک خوانش از اندازه‌گیری سریع برروی یک صفحه‌ی دیجیتال را بدون قطع‌شدن یا بازکردن مدار، فراهم می‌کنند.
همانند کلمپ‌مترهای دستی نوع CT، ترانسفورماتورهای جریان هسته‌ی تقسیم‌شده نیز در دسترس هستند؛ که یک سر آن قابل جابجایی است؛ به طوری‌که، هادی بار یا بار باس برای نصب، نیازی به جداشدن ندارد. این ترانسفورماتورها برای اندازه‌گیری جریان از 100 تا 5000 آمپر با اندازه مجذور پنجره‌ها از “1” تا بیش از “12”(25 تا 300 میلی‌متر) دردسترس هستند.
خلاصه CT
پس به‌طور خلاصه، ترانسفورماتور جریان (CT) نوعی ترانسفورماتور ابزاری است؛ که برای تبدیل جریان اولیه به جریان ثانویه از طریق یک واسطه‌ی مغناطیسی استفاده می‌شود. سپس سیم‌پیچ ثانویه آن، جریان بسیار کاهش‌یافته‌ای را فراهم می‌کند؛ که می‌تواند برای تشخیص شرایط جریان خیلی بالا، خیلی کم، پیک جریان و جریان متوسط، استفاده شود.
کویل اولیه‌ی ترانسفورماتور جریان، همیشه درحالت سری نسبت به هادی اصلی وصل می‌شود و سبب می‌شود که با نام ترانسفورماتور سری نیز به آن اشاره شود. جریان ثانویه‌ی اصلی برای سهولت در اندازه‌گیری با نرخ 1 یا 5 آمپر اندازه‌گیری می‌شود. ساخت این ترانسفورماتور می‌تواند شامل یک دور اولیه مانند انواع چنبره، دوناتی یا میله‌ای یا چنددور اولیه‌ی پیچشی، معمولا با نرخ جریان کم باشد.
ترانسفورماتورهای جریان، برای استفاده به‌عنوان دستگاه‌های نسبت جریان، در نظر گرفته شده‌اند. بنابراین، سیم‌پیچ ثانویه‌ی ترانسفورماتور هرگز نباید در حالت مدار باز عمل کند، همانطور که یک ترانسفورماتور ولتاژ نباید در حالت اتصال کوتاه کار کند.
ولتاژهای بسیار بالا، از مدارباز بودن مدار ثانویه یک ترانسفورماتور جریان دارای انرژی حاصل می‌شود و بنابراین، درصورت برداشته‌شدن آمپرمتر یا عدم استفاده از CT، قبل از روشن‌کردن سیستم، پایانه‌های آن باید اتصال کوتاه شوند.
در مقاله بعدی در مورد ترانسفورماتورها خواهیم دید؛ که در زمان اتصال سه ترانسفورماتور منفرد در پیکربندی ستاره یا مثلث به یکدیگر، برای تولید یک ترانسفورماتور توان بزرگتر، چه اتفاقی می‌افتد؟! این ترانسفورماتور، ترانسفورماتور سه‌فاز نام دارد و برای تامین منابع 3 فاز، استفاده می‌شود.
