ترانسفورماتور‌های جریان (CT) و اصول عملکرد آن

در این مقاله از وبلاگ کارشه قصد داریم به شما عزیزان یکی دیگر از تجهیزات الکتریکی به نام ترانسفورماتور‌های جریان (CT) معرفی کنیم. پس در اینجا با ما همراه باشید تا با ترانسفورماتور‌های جریان (CT) و اصول عملکرد آن بطور کامل و دقیق آشنا شوید.

ترانسفورماتور‌های جریان (CT)

ترانسفورماتورهای جریان (CT) یا Current Transformers، دستگاه‌هایی الکتریکی هستند که برای اندازه‌گیری جریان‌های الکتریکی بالا در سیستم‌های قدرت استفاده می‌شوند. این تجهیزات بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می‌کنند و جریان اولیه (Primary Current) را به جریان ثانویه (Secondary Current) تبدیل می‌کنند که معمولاً در محدوده‌ای ایمن (مانند ۱ یا ۵ آمپر) قرار دارد.

CTها معمولاً در سیستم‌های قدرت برای اهداف اندازه‌گیری، حفاظت و کنترل استفاده می‌شوند. آن‌ها باعث می‌شوند که دستگاه‌های اندازه‌گیری و رله‌های حفاظتی بتوانند به طور ایمن و دقیق جریان‌های بالا را تشخیص دهند. یکی از ویژگی‌های مهم CTها این است که جریان ثانویه آن‌ها متناسب با جریان اولیه است و این نسبت به عنوان نسبت تبدیل (CT Ratio) شناخته می‌شود.

این تجهیزات معمولاً از یک هسته مغناطیسی و سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه تشکیل شده‌اند. جریان اولیه از هادی اصلی عبور می‌کند و در سیم‌پیچ ثانویه جریانی القا می‌شود که متناسب با جریان اولیه است. مهم است که سیم‌پیچ ثانویه هیچ‌گاه باز (Open Circuit) نشود، زیرا این موضوع می‌تواند باعث ایجاد ولتاژ خطرناک و آسیب به تجهیزات شود.

اهمیت جریان (CT)

جریان (CT) در بسیاری از زمینه‌ها اهمیت بسیاری دارد و کاربردهای گسترده‌ای دارد. اهمیت آن به این دلیل است که می‌تواند اطلاعاتی را در مورد کمیت و نحوه‌ی تغییرات یک کمیت فیزیکی، مانند جریان الکتریکی یا جریان سیالات، در زمان و مکان ارائه دهد.

در زیر به برخی از مهم‌ترین کاربردهای جریان (CT) اشاره می‌کنیم:

• اندازه‌گیری جریان الکتریکی: در سیستم‌های قدرت، جریان (CT) برای اندازه‌گیری جریان‌های بسیار بالا استفاده می‌شود. ترانسفورماتورهای جریان (CT) جریان را به یک سطح قابل اندازه‌گیری کاهش می‌دهند و از این طریق اندازه‌گیری دقیق و ایمن جریان‌های بالا را ممکن می‌سازند. این اندازه‌گیری‌ها برای کنترل، حفاظت و مانیتورینگ سیستم‌های قدرت بسیار حیاتی هستند.
• حفاظت از تجهیزات الکتریکی: CT ها به عنوان بخشی از سیستم‌های حفاظتی در شبکه‌های قدرت عمل می‌کنند. با اندازه‌گیری جریان، می‌توان تغییرات غیرعادی را تشخیص داد و به سرعت به سیستم هشدار داد و یا به طور اتوماتیک تجهیزات را از مدار خارج کرد. این امر از آسیب رسیدن به تجهیزات جلوگیری می‌کند و از خاموشی‌های ناخواسته جلوگیری می‌کند.
• کنترل سیستم‌های قدرت: با اندازه‌گیری جریان، می‌توان پارامترهای سیستم را کنترل و تنظیم کرد. این امر به بهبود عملکرد و راندمان سیستم کمک می‌کند.
• مطالعات جریان شناسی: در زمینه‌های مختلف مانند مهندسی مکانیک و هیدرولیک، جریان (CT) برای مطالعه جریان سیالات استفاده می‌شود. اندازه‌گیری جریان سیالات، برای طراحی و بهینه سازی سیستم‌های انتقال سیالات بسیار حیاتی است.
• کاربردهای پزشکی: در برخی از روش‌های پزشکی، جریان (CT) برای اندازه‌گیری جریان خون در عروق استفاده می‌شود.
• کاربردهای صنعتی: در صنعت، جریان (CT) در بسیاری از فرآیندها برای اندازه‌گیری و کنترل جریان استفاده می‌شود.

به طور خلاصه، جریان (CT) ابزاری ضروری برای اندازه‌گیری، حفاظت، کنترل و مطالعه جریان‌ها در سیستم‌های الکتریکی، مکانیکی و سایر سیستم‌ها است. بدون جریان (CT)، بسیاری از فعالیت‌های صنعتی، پزشکی و مهندسی ممکن نبود.

ساختار و اجزای ترانس‌های جریان (CT)

ساختار و اجزای ترانسفورماتورهای جریان (CT) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که جریان‌های بسیار بالا را به جریان‌های کوچکتر و قابل اندازه‌گیری تبدیل کنند. اجزای اصلی یک CT عبارتند از:

• هسته: معمولا از جنس فولاد سیلیسیوم یا موادی با نفوذپذیری مغناطیسی بالا ساخته می‌شود. شکل هسته می‌تواند متنوع باشد، اما عموماً به صورت حلقه‌ای یا استوانه‌ای است تا میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان اولیه را به طور مؤثر به جریان ثانویه منتقل کند. شکل و جنس هسته به نوع CT و کاربرد آن بستگی دارد.
• سیم‌پیچ اولیه (Primary Winding): این سیم‌پیچ به دور هسته قرار می‌گیرد و به طور مستقیم با مدار جریان اولیه متصل می‌شود. تعداد دورهای سیم‌پیچ اولیه (N_P) بسیار کم است تا بتواند جریان‌های بالا را تحمل کند. قطر سیم‌پیچ اولیه نیز به میزان جریان اولیه بستگی دارد.
• سیم‌پیچ ثانویه (Secondary Winding): این سیم‌پیچ نیز به دور هسته قرار گرفته و به طور سری با مدار اندازه‌گیری متصل می‌شود. تعداد دورهای سیم‌پیچ ثانویه (N_S) نسبت به سیم‌پیچ اولیه بسیار بیشتر است. این امر باعث می‌شود جریان ثانویه (I_S) نسبت به جریان اولیه (I_P) کاهش یابد. رابطه بین جریان اولیه و ثانویه با نسبت دورها (N_P/N_S = I_S/I_P) مشخص می‌شود. سیم‌پیچ ثانویه باید به گونه‌ای طراحی شود که بتواند جریان ثانویه را با امنیت کامل و بدون اشباع شدن هسته تحمل کند.
• عایق‌بندی: عایق‌بندی مناسب بین سیم‌پیچ‌ها و بین سیم‌پیچ‌ها و هسته از ضروریات است. این عایق‌بندی باید در برابر حرارت، فشار و شرایط محیطی مختلف مقاوم باشد. عایق‌بندی همچنین باید از اتصال کوتاه بین سیم‌پیچ‌ها و هسته جلوگیری کند.
• پوشش محافظ: برای حفاظت از CT در برابر ضربه، رطوبت، گرد و غبار و عوامل محیطی دیگر، یک پوشش محافظ در اطراف آن قرار می‌گیرد.
• ترمینال‌ها: اتصالات لازم برای اتصال CT به مدارهای مختلف (اولیه و ثانویه) از طریق ترمینال‌ها تامین می‌شوند.

نکات مهم:

• نسبت تبدیل: نسبت تبدیل (N_P/N_S) در CT باید به دقت کنترل شود تا جریان ثانویه به اندازه‌ای کاهش یابد که بتوان آن را با ابزارهای اندازه‌گیری مناسب اندازه‌گیری کرد و در عین حال، از حداکثر بار مجاز برای سیم‌پیچ ثانویه تجاوز نشود.
• بار ثانویه: CT باید به گونه‌ای طراحی شود که جریان ثانویه آن در حالت هرزگرد (بدون بار) به اندازه کافی کم باشد تا خطرات ناشی از جریانهای هرزگرد را به حداقل برساند. در عین حال، نباید بار ثانویه به اندازه‌ای کم باشد که باعث اشباع هسته شود.
• جریان اشباع: در جریان‌های زیاد، هسته CT ممکن است اشباع شود و دیگر نتواند به طور خطی میدان مغناطیسی را تبدیل کند. این امر باعث خطا در اندازه‌گیری می‌شود.
• حفاظت در برابر اتصال کوتاه: CT باید به گونه‌ای طراحی شود که در شرایط اتصال کوتاه در مدار ثانویه، از آسیب رسیدن به تجهیزات جلوگیری کند.

نصب و راه اندازی ترانس جریان

نصب و راه اندازی ترانسفورماتور جریان (CT) نیازمند دقت و رعایت نکات ایمنی بسیار مهم است. در زیر مراحل کلی نصب و راه اندازی CT را بررسی می‌کنیم:

1. انتخاب و مشخصات فنی:

• جریان نامی اولیه (I_p): باید با جریان نامی مدار اصلی مطابقت داشته باشد.
• جریان نامی ثانویه (I_s): معمولا 1A یا 5A انتخاب می‌شود. این جریان باید برای ابزار اندازه‌گیری مناسب باشد.
• نسبت تبدیل (Ratio): نسبت جریان اولیه به ثانویه را نشان می‌دهد. (I_p/I_s)
• محدوده جریان: باید از بیشترین و کمترین جریان عبوری در مدار آگاهی داشت.
• نوع اتصال: ابتدا باید نوع اتصال CT را از نظر اتصال سیمی و مکانیکی بررسی کرد.
• حفاظت: باید از وجود و نوع حفاظت CT در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه مطمئن شد.

2. آماده‌سازی محل نصب:

• محل مناسب: فضای کافی برای نصب و دسترسی به سیم‌کشی‌ها را فراهم کنید.
• محل اتصال: اطمینان حاصل کنید که محل اتصال سیم‌ها به CT در معرض خطر آسیب یا عوامل محیطی نباشد.

3. اتصال سیم‌کشی:

• اتصال اولیه: سیم‌کشی اولیه باید به صورت سری با مدار اصلی انجام شود. این اتصال اساسی‌ترین بخش است و باید با دقت انجام شود.
• اتصال ثانویه: سیم‌کشی ثانویه به ابزار اندازه‌گیری (آمپر متر، رله و …) متصل می‌شود. نکته بسیار مهم: همیشه مقاومت بار ثانویه را به CT متصل کنید. عدم اتصال بار ثانویه می‌تواند منجر به آسیب CT شود.
• سیم‌کشی مناسب: از سیم‌های مناسب با قطر و عایق کافی استفاده کنید. سیم‌ها باید بتوانند جریان ثانویه را بدون افت ولتاژ قابل توجهی منتقل کنند.

4. تست و کالیبراسیون:

• تست اتصال کوتاه: با اتصال کوتاه سیم‌های ثانویه، جریان ثانویه را اندازه‌گیری کنید. این تست برای اطمینان از سالم بودن CT و عدم وجود اتصال کوتاه در سیم‌پیچ‌ها انجام می‌شود.
• تست جریان نامی: جریان نامی اولیه را به مدار اعمال کنید و مطمئن شوید که جریان ثانویه مطابق با نسبت تبدیل است.
• کالیبراسیون: برای اطمینان از صحت اندازه‌گیری، CT باید با دستگاه‌های استاندارد کالیبره شود.

5. نصب فیزیکی:

• محکم کردن CT: CT را به صورت محکم و ایمن به سازه متصل کنید.
• حفاظت: از پوشش مناسب برای محافظت از CT در برابر عوامل محیطی (مانند رطوبت، گرد و غبار و ضربه) استفاده کنید.
• علامت‌گذاری: CT را با مشخصات فنی و شماره سریال آن علامت‌گذاری کنید.

نکات مهم:

• ایمنی: هنگام کار با CT، از تجهیزات ایمنی مناسب (مانند دستکش و عینک ایمنی) استفاده کنید.
• اتصال بار ثانویه: همیشه بار ثانویه را به CT متصل کنید، در غیر این صورت جریان زیادی در سیم‌پیچ ثانویه ایجاد شده و ممکن است CT آسیب ببیند.
• جلوگیری از اتصال کوتاه: از اتصال کوتاه سیم‌کشی اولیه و ثانویه جلوگیری کنید.
• بسته شدن مدار ثانویه: باید همیشه مطمئن شوید که مدار ثانویه CT بسته است و بار ثانویه به درستی متصل شده است.
• مطالعه دستورالعمل: قبل از هرگونه نصب و راه اندازی، باید به دقت دستورالعمل‌های سازنده CT را مطالعه کنید.

در صورت هرگونه تردید یا عدم اطمینان؛ بهتر است با کارشاسان ما در تیم کارشه تماس بگیرید تا در انجام اینکار شما را یاری کنند.

اتصال کوتاه ترانسفورماتور جریان

اتصال کوتاه ترانسفورماتور جریان (CT) یک تست مهم و ضروری برای اطمینان از عملکرد صحیح و ایمنی این تجهیزات است. اتصال کوتاه CT به دو دلیل اصلی انجام می‌شود:

• تعیین مقاومت داخلی: اتصال کوتاه CT به ما اجازه می‌دهد مقاومت داخلی سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه را اندازه‌گیری کنیم. این مقاومت، به ویژه در سیم‌پیچ ثانویه، نشان‌دهنده کیفیت و سلامت عایق و سیم‌پیچ‌ها است. مقاومت بالا ممکن است ناشی از خرابی یا آسیب به عایق باشد.
• بررسی عملکرد مطلوب ترانسفورماتور: با اتصال کوتاه CT، می‌توانیم مطمئن شویم که ترانسفورماتور در شرایط عادی کار می‌کند و نسبت تبدیل (Ratio) آن مطابق با مشخصات فنی است. در صورت عدم تطابق، این تست به ما کمک می‌کند تا مشکل را شناسایی کنیم.

روش اتصال کوتاه و نکات مهم:

• حفاظت: اتصال کوتاه CT باید با احتیاط و با رعایت پروتکل‌های ایمنی انجام شود. به دلیل جریان‌های بالا در سیم‌پیچ اولیه، ضروری است از تجهیزات حفاظتی مناسب مانند فیوز و مدارهای حفاظتی استفاده شود و پرسنل با تجربه و متخصص این کار را انجام دهند.
• آمپر متر: برای اندازه‌گیری جریان اتصال کوتاه، از آمپر مترهای مناسب با محدوده اندازه گیری مورد نیاز استفاده می‌شود.
• مدار اتصال کوتاه: مدار اتصال کوتاه باید به گونه‌ای طراحی شود که جریان اتصال کوتاه را محدود کرده و از مدار و تجهیزات دیگر در برابر آسیب محافظت کند.
• محدودیت جریان: جریان اتصال کوتاه در CT نباید از مقدار تعیین شده برای دستگاه تجاوز کند، زیرا ممکن است باعث آسیب به CT شود.
• حساسیت دستگاه اندازه گیری: دستگاه اندازه گیری باید حساسیت کافی برای اندازه‌گیری دقیق مقاومت داشته باشد.
• مدار ثانویه: در طول اتصال کوتاه، مدار ثانویه CT باید به گونه‌ای کوتاه شود که از جریان‌های اضافی و آسیب به دستگاه‌های اندازه‌گیری جلوگیری شود.

انتخاب نوع هسته ترانسفورماتور جریان

انتخاب نوع هسته ترانسفورماتور جریان (CT) بستگی به چندین فاکتور دارد که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

• جریان نامی و محدوده جریان: نوع هسته باید به گونه‌ای انتخاب شود که بتواند جریان نامی مورد نیاز را تحمل کند و در عین حال از حد مجاز اشباع (Saturation) در حداکثر جریان عبوری جلوگیری کند. هسته‌های مختلف، قابلیت‌های مختلفی در تحمل جریان دارند.
• رابطه جریان اولیه و ثانویه (نسبت تبدیل): نوع هسته در تعیین نسبت تبدیل و در نتیجه جریان ثانویه موثر است.
• سطح ولتاژ: ولتاژهای القایی در سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور جریان، به نوع هسته و طراحی آن بستگی دارد.
• محدوده فرکانس: اگر ترانسفورماتور جریان در سیستم‌های با فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود، نوع هسته باید به گونه‌ای انتخاب شود که بتواند با این فرکانس‌ها سازگار باشد.
• اندازه و وزن: هسته‌های مختلف، ابعاد و وزن‌های متفاوتی دارند. انتخاب نوع هسته باید با محدودیت‌های فضای نصب و وزن سازگار باشد.
• قیمت: هسته‌های مختلف، قیمت‌های متفاوتی دارند. انتخاب نوع هسته باید متناسب با بودجه پروژه باشد.
• نوع بار ثانویه: نوع بار ثانویه، مانند آمپرمتر، رله، یا سیستم اندازه‌گیری، در انتخاب نوع هسته تاثیرگذار است.
• محیط عملیاتی: دما، رطوبت و سایر شرایط محیطی، در انتخاب نوع هسته موثر هستند. نوع ماده به کار رفته در هسته، مقاومت آن در برابر خوردگی و شرایط محیطی را تعیین می‌کند.
• دقت و کلاس دقت: در کاربردهای دقیق، کلاس دقت CT مهم است و نوع هسته باید با این نیاز سازگار باشد.
• و …

کاربرد ترانس جریان

ترانسفورماتورهای جریان (CT) ابزارهای الکتریکی حیاتی در سیستم‌های قدرت هستند که برای اندازه‌گیری جریان‌های بسیار بالا در شبکه‌های توزیع و انتقال برق استفاده می‌شوند. کاربرد اصلی آنها این است که جریان‌های بسیار بزرگ را به جریان‌های کوچکتر و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند، که این کار را با استفاده از اصل ترانسفورماتور انجام می‌دهند.

کاربردهای ترانسفورماتور جریان شامل موارد زیر است:

• اندازه‌گیری جریان: این مهم‌ترین کاربرد است. CT ها جریان‌های بالا را به جریان‌های کوچکتر تبدیل می‌کنند که می‌توان با آمپرسنج‌های معمولی یا دیگر دستگاه‌های اندازه‌گیری دقیق اندازه‌گیری کرد.
• حفاظت از مدار: با اندازه‌گیری جریان، CT ها به سیستم‌های حفاظتی اجازه می‌دهند تا در صورت وجود خطا یا اضافه بار، به سرعت واکنش نشان دهند و از تجهیزات و تاسیسات الکتریکی در برابر آسیب محافظت کنند. این حفاظت شامل قطع مدار، خاموش کردن اتوماتیک و جلوگیری از آسیب‌های جدی است.
• کنترل و نظارت: برای نظارت بر عملکرد صحیح سیستم‌های قدرت، اندازه‌گیری دقیق جریان ضروری است. CT ها به سیستم‌های کنترل و نظارت اجازه می‌دهند تا عملکرد سیستم را به دقت ردیابی و مدیریت کنند.
• حسابداری انرژی: در کاربردهای صنعتی و تجاری، اندازه‌گیری دقیق جریان برای محاسبه مصرف انرژی و حسابداری ضروری است. CT ها به سیستم‌های اندازه‌گیری انرژی اجازه می‌دهند تا میزان دقیق مصرف برق را ثبت کنند.
• اندازه‌گیری بار و جریان در تجهیزات: در داخل تجهیزات بزرگ مانند ژنراتورها، موتورها و ترانسفورماتورها، اندازه‌گیری جریان برای تشخیص بار و عملکرد آنها ضروری است.
• مطالعات سیستم‌های قدرت: در تحلیل و شبیه‌سازی سیستم‌های قدرت، اندازه‌گیری دقیق جریان اهمیت زیادی دارد. CT ها به این مطالعات کمک می‌کنند تا رفتار سیستم در شرایط مختلف را به دقت پیش‌بینی کنند.

به طور خلاصه، ترانسفورماتورهای جریان به عنوان ابزارهای اساسی برای اندازه‌گیری و حفاظت در سیستم‌های قدرت عمل می‌کنند و نقش حیاتی در عملکرد، ایمنی و کارایی این سیستم‌ها ایفا می‌کنند.

نتیجه گیری

ترانسفورماتورهای جریان (CT) ابزارهای حیاتی در سیستم‌های قدرت هستند که جریان‌های بسیار بالا را به جریان‌های کوچکتر و قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کنند.  این تبدیل، امکان اندازه‌گیری دقیق جریان در شبکه‌های توزیع و انتقال برق را فراهم می‌کند و برای حفاظت از تجهیزات و کنترل سیستم‌های قدرت ضروری است. 

با تبدیل جریان‌های بالا به جریان‌های پایین، CT ها به تجهیزات اندازه‌گیری و حفاظتی اجازه می‌دهند تا در شرایط ایمن و قابل مدیریت عمل کنند.  به طور خلاصه، CT ها نقش اساسی در نظارت، کنترل و حفاظت از شبکه‌های برق ایفا می‌کنند.