ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ ΟΡΓΑΝΩΝ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΕΝΤΑΣΗΣ ΣΤΗ ΜΕΣΗ ΤΑΣΗ

Μετασχηματιστές έντασης

Οι μετασχηματιστές έντασης (current transformers) αποτελούνται από ένα πρωτεύον και ένα ή περισσότερα (συνήθως δύο) δευτερεύοντα τυλίγματα. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το πρωτεύον χαρακτηρίζεται με τα γράμματα Ρ1, Ρ2 και τα δευτερεύοντα με τα γράμματα S1, S2. Αν ο μετασχηματιστής διαθέτει περισσότερα του ενός δευτερεύοντα, τότε χρησιμοποιούμε τα γράμματα 1S1, 1S2, για το πρώτο, τα γράμματα 2S1, 2S2 για το δεύτερο κ.ο.κ..
Το ένα δευτερεύον τύλιγμα χρησιμοποιείται για την τροφοδότηση με ονομαστικό ρεύμα 5 Α (σπάνια 1 Α) των οργάνων μέτρησης όπως:

• Α-μετρα
• kW-μετρα (μετρητές ισχύος)
• kWh-μετρα (μετρητές ενέργειας)

Το άλλο δευτερεύον τύλιγμα χρησιμοποιείται γα την τροφοδότηση με ονομαστικό ρεύμα 5 Α (σπάνια των 1 Α) των ηλεκτρονόμων προστασίας, όπως:

• Ηλεκτρονόμος έντασης
• Ηλεκτρονόμος διαρροής προς γη
• Άλλοι τύποι ηλεκτρονόμων

Σύμβολα μετασχηματιστών έντασης
	Μονογραμμικό κατά IEC	Με ακροδέκτες κατά IEC
	Μονογραμμικό (παλαιό)	Με ακροδέκτες (παλαιό)

Σύνδεση μετασχηματιστών μέτρησης

Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε το λειτουργικό διάγραμμα (circuit diagram) ενός διακόπτη ισχύος με τρεις μετασχηματιστές έντασης. Σε κάθε φάση υπάρχει ένας μετασχηματιστής έντασης με δύο δευτερεύοντα τυλίγματα, ένα για τη μέτρηση και ένα για προστασία.
Τα τυλίγματα μέτρησης καταλήγουν μέσω της κλεμμοσειράς Χ1 στα όργανα μέτρησης που είναι, τρία Α-μετρα (ένα για κάθε φάση). Τα ίδια τυλίγματα τροφοδοτούν και άλλα όργανα μέτρησης όπως τα kW-μετρα, kWh-μετρα κ.ά..
Σημειώνουμε ότι τα όργανα που μετρούν ισχύ και ενέργεια χρειάζονται εκτός του ρεύματος της κάθε φάσης και την αντίστοιχη φασική τάση.
Τα τυλίγματα προστασίας καταλήγουν μέσω της κλεμμοσειράς Χ2 στον ηλεκτρονόμο προστασίας. Ο ηλεκτρονόμος ελέγχει συνεχώς την τιμή του ρεύματος σε κάθε φάση και, αν ξεπεράσει την τιμή που τον έχουμε ρυθμίσει για περισσότερο χρόνο από αυτό που επίσης έχουμε ρυθμίσει, τότε δίνει εντολή (trip) στο πηνίο ανοίγματος και ο διακόπτης ισχύος ανοίγει.

Λειτουργικό διάγραμμα μιας τυπικής κυψέλης με διακόπτη ισχύος και μετασχηματιστές έντασης για μέτρηση και προστασία

Αν το δευτερεύον του μετασχηματιστή έντασης μείνει ανοικτό, τότε στα άκρα του δημιουργείται επικίνδυνη υπέρταση. Οι κλεμμοσειρές Χ1, Χ2 που χρησιμοποιούμε για τη σύνδεση των μετασχηματιστών έντασης είναι ειδικές κλέμμες, που μας επιτρέπουν να βραχυκυκλώνουμε τα δευτερεύοντα τυλίγματα των μετασχηματιστών. Αυτό γίνεται όταν θέλουμε να απομονώσουμε τα όργανα μέτρησης / προστασίας για να τα ελέγξουμε ή να τα ρυθμίσουμε.

Πυρήνας μέτρησης και πυρήνας προστασίας, συντελεστές κορεσμού

Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε την τομή ενός μετασxηματιστή έντασης με δύο διαφορετικούς πυρήνες, ένα για μέτρηση και ένα για πρoστασία.
Ο πυρήνας για τη μέτρηση είναι κατασκευασμένος από ειδικό κράμα σιδήρου, ώστε να εμφανίζει όσο γίνεται μικρότερο συντελεστή κορεσμού (saturation factor), έτσι ώστε και με μικρές υπερεντάσεις στo πρωτεύον, το ρεύμα στo δευτερεύον περιορίζεται. Έτσι οι συσκευές μέτρησης δεν καταστρέφονται.
Για να το καταλάβουμε καλύτερα, χρησιμοποιούμε τις καμπύλες απόκρισης του μετασχηματιστή έντασης. Ο οριζόντιος άξονας είναι βαθμολογημένος με το λόγο Ι₁/Ι_1Ντου πρωτεύοντος, ενώ ο κάθετος άξονας είναι βαθμολογημένος με το λόγο Ι₂/Ι_2Ν του δευτερεύοντος. Οι καμπύλες απόκρισης μας δείχνουν τη συμπεριφορά του μετασχηματιστή σε συνθήκες υπερέντασης στo πρωτεύον.
Βλέπουμε ότι για το λόγο Ι₁/Ι_1Ν = 4 (δηλ. για ρεύμα πρωτεύοντος 4 φορές μεγαλύτερο από το ονομαστικό ρεύμα), ο λόγος Ι₂/Ι_2Ν γίνεται 3,6 αντί του αναμενόμενου 4, δηλαδή έχουμε ένα σφάλμα 4,0 - 3,6 = 0.4 Κάνοντας αναγωγή του σφάλματος 0,4 στην τιμή 4 το σφάλμα είναι 10%. Το σφάλμα αυτό μεγαλώνει όσο μεγαλώνει ο λόγος Ι₁/Ι_1Ν, με αποτέλεσμα το ρεύμα στο δευτερεύον να περιορίζεται και έτσι δεν καταστρέφονται οι συσκευές μέτρησης.
Ο πυρήνας για την προστασία είναι κατασκευασμένος από διαφορετικό κράμα σιδήρου, ώστε να εμφανίζει όσο γίνεται μεγαλύτερο συντελεστή κορεσμού (F_s > 10). Το ρεύμα του δευτερεύοντος αυξάνεται ανάλογα με το ρεύμα του πρωτεύοντος και περιορίζεται μόνο όταν τα ρεύματα είναι πολύ μεγάλα, π.χ. βραχυκύκλωμα. Έτσι ο ηλεκτρονόμος προστασίας παρακολουθεί σωστά το ρεύμα του δικτύου για να επέμβει, όταν χρειαστεί.

Τομή μετασχηματιστή έντασης με δύο πυρήνες

Χαρακτηριστικές κορεσμού των πυρήνων ενός μετασχηματιστή έντασης

Χαρακτηριστικά μεγέθη των μετασχηματιστών έντασης

Τα χαρακτηριστικά των μετασχηματιστών έντασης είναι:

• Ονομαστική τάση, π.χ. U_n = 20/24 KV
• Ονομαστική ισχύς ή φορτίο (rated burden), π.χ. S_n = 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90 VA. Οι κατασκευαστές δίνουν το φορτίο σε συνδυασμό με την κλάση ακρίβειας.
• Κλάση ακρίβειας (cl) για το τύλιγμα μέτρησης είναι από 0.2 έως 3%, εφόσον το φορτίο σε VA, δεν υπερβαίνει το ονομαστικό.
• Κλάσεις ακρίβειας (class) για το τύλιγμα προστασίας είναι το % σφάλμα, το γράμμα Ρ και το πολλαπλάσιο του ονομαστικού ρεύματος που αντιστοιχεί το σφάλμα. Π.χ. 5Ρ15 σημαίνει σφάλμα 5% στο δεκαπενταπλάσιο του ονομαστικού.
• Ονομαστικό ρεύμα πρωτεύοντος Ι_1n = 5 έως 3000 Α.
• Ονομαστικό ρεύμα δευτερεύοντος I_2n = 25 Α ή 1 Α. Η τιμή του 1 Α προτιμάται όταν η απόσταση του μετασχηματιστή από τα όργανα μέτρησης / προστασίας είναι μεγάλη (L > 50m).
• Αντοχή σε ρεύμα βραχείας διάρκειας I_th σε kA. Είναι η ενεργός τιμή του ρεύματος που αντέχει ο μετασχηματιστής για χρόνο t = 1s. Συνήθως είναι 20 έως 60 φορές το ονομαστικό ρεύμα I_1n.

Μετασχηματιστής με ένα τύλιγμα στο πρωτεύον με δύο τυλίγματα στο δευτερεύον για μέτρηση και προστασία
Αντοχή σε ρεύμα βραχείας διαρκείας Ith (kA)
I1n	50	100	150	200
Ith	4	10	10	10
t (s)	1
μέτρηση 5 Α	7,5 VA – class 0,5
προστασία 5 Α	5 VA – 5P10

Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το σώμα των μετασχηματιστών έντασης είναι κατασκευασμένο από χυτορητίνη (cast-resin). Το πρωτεύον τύλιγμα αποτελείται συνήθως από μία ή δύο σπείρες χοντρού χάλκινου αγωγού, στις άκρες του οποίου, συγκολλούνται οι ακροδέκτες μέσης τάσης (Ρ1, Ρ2) που καταλήγουν σε σπειρώματα Μ12.
Το πρωτεύον τύλιγμα διέρχεται από τους πυρήνες μέτρησης και προστασίας, πάνω στους οποίους είναι τοποθετημένα τα δευτερεύοντα τυλίγματα.

Πραγματική μορφή
	Μετασχηματιστής έντασης	A-μετρο 96 x 96 mm κινητού σιδήρου
	Αφαιρετές κλίμακες Α-μετρου	Διαστάσεις σε mm

Μετασχηματιστές τάσης

Οι μετασχηματιστές τάσης (voltage transformers) αποτελούνται από ένα πρωτεύον και ένα ή δύο δευτερεύοντα τυλίγματα. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες:

• Μονοπολικοί, οι οποίοι μετράνε την τάση μεταξύ μιας φάσης και της γης, δηλαδή τη φασική τάση. Το πρωτεύον τύλιγμα χαρακτηρίζεται με τα γράμματα Α, Ν και το δευτερεύον τύλιγμα με τα γράμματα a, n.
• Διπολικοί, οι οποίοι μετράνε την τάση μεταξύ δύο φάσεων, δηλαδή την πολική τάση. Το πρωτεύον τύλιγμα χαρακτηρίζεται με τα γράμματα Α, Β και το δευτερεύον τύλιγμα με τα γράμματα a, b.

Το ένα δευτερεύον τύλιγμα χρησιμοποιείται για την τροφοδότηση με ονομαστική τάση 100 V (ή 100 / √3 των οργάνων μέτρησης όπως:

• V-μετρα
• kW-μετρα (μετρητές ισχύος)
• kV Α-μετρα (μετρητές άεργου ισχύος)
• kWh- μετρα (μετρητές ενέργειας)
• κ.ά.

ή οργάνων προστασίας όπως:

• ηλεκτρονόμος υπέρτασης (over-voltage relays)
• ηλεκτρονόμος υπότασης (under-voltage relays)
• ηλεκτρονόμος σφάλματος προς γη
• κ.ά.

Σύμβολα μονοπολικού μετασχηματιστή τάσης
	μονογραμμικό κατά IEC	με ακροδέκτες κατά IEC	μονογραμμικό (παλαιό)	με ακροδέκτες (παλαιό)

Σύμβολα διπολικού μετασχηματιστή τάσης
	μονογραμμικό κατά IEC	με ακροδέκτες κατά IEC	μονογραμμικό (παλαιό)	με ακροδέκτες (παλαιό)

Σύνδεση μετασχηματιστών τάσης

Τα χαρακτηριστικά των μετασχηματιστών τάσης είναι: Ονομαστική τάση, π.χ. U_n = 20/24 kV Ονομαστική ισχύς ή φορτίο (ratedburden) π.χ. S_n=30 έως 300 VA. Οι κατασκευαστές δίνουν φορτίο σε συνδυασμό με την κλάση ακριβείας Κλάση ακριβείας (class), η οποία είναι από 0.2 έως 3%, εφόσον το φορτίο σε VA, δεν υπερβαίνει το ονομαστικό Ονομαστική τάση πρωτεύοντος U_1n = 20 kV για διπολικούς ή 20 / √3 για μονοπολικούς. Ονομαστική τάση δευτερεύοντος U_2n = 100 V για διπολικούς ή 100/ √3 για μονοπολικούς. Σπάνια συναντάμε την τιμή 110 V αντί των 100 V. Μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς S_max σε VA. Συνήθως είναι 10 φορές το S_n.

Διευκρινίζουμε ότι η ονομαστική ισχύς είναι η τάση 100 επί το ρεύμα στο δευτερεύον. Μπορεί να γίνει υπέρβαση της ονομαστικής S_n μέχρι S_max, π.χ. όταν ο μετασχηματιστής τροφοδοτεί φορτία και όχι μόνο όργανα αλλά η κλάση ακριβείας μεγαλώνει.
Για ένα τυπικό μετασχηματιστή τάσης 30 VA class 0.2 έχουμε:

S σε VA	30	50	100	250
Class	0.2	0.5	1.0	3.0

Μετασχηματιστές (Μονοπολικός) 50/60 Hz
ονομαστική τάση (kV)	24
τάση πρωτεύοντος (kV)	10 / √3	15-20 / √3	20 / √3
τάση δευτερεύοντος (V)	100 / √3
μέγιστη ισχύς (VA)	250	250	250
κλάση ακριβείας	0.5	0.5	0.5	0.5
ονομαστική ισχύς πρωτεύοντος για μονοπολικούς (VA)	30	30		30
ονομαστική ισχύς πρωτεύοντος για διπολικούς (VA)			30-50

Μετασχηματιστές (Διπολικός) 50/60 Hz
ονομαστική τάση (kV)	24
τάση πρωτεύοντος (kV)	10	15	20
τάση δευτερεύοντος (V)	100
μέγιστη ισχύς (VA)	500
κλάση ακριβείας	0.5
ονομαστική ισχύς πρωτεύοντος για μονοπολικούς (VA)	50

Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το σώμα των μετασχηματιστών τάσης είναι κατασκευασμένο από χυτορητίνη (cast-resin). Εύκολα μπορούμε να διακρίνουμε αν ο μετασχηματιστής τάσης είναι μονοπολικός ή διπολικός. Συνήθως προτιμάμε τους διπολικούς μετασχηματιστές, διότι με δύο μόνο μετασχηματιστές μπορούμε να μετρήσουμε ένα τριφασικό σύστημα. Αν αντίθετα χρησιμοποιήσουμε μονοπολικούς μετασχηματιστές θα χρειαζόμαστε τρεις.

Μετασχηματιστές τάσης
	Μονοπολικός	Διπολικός

Χαρακτηριστικά μεγέθη των μετασχηματιστών τάσης

Στην παρακάτω εικόνα βλέπουμε το λειτουργικό διάγραμμα μιας κυψέλης μέτρησης με τρεις μονοφασικούς μετασχηματιστές τάσης. Το δευτερεύον τροφοδοτεί με ξεχωριστές γραμμές τα όργανα μέτρησης και τα όργανα προστασίας. Οι γραμμές ασφαλίζονται με μικροαυτόματους διακόπτες ή τηκτές ασφάλειες.

Λειτουργικό διάγραμμα κυψέλης μέτρησης

πηγή:ti-soft