Vše o transformátorech proudu

Proudové transformátory snižují proudy vysokého napětí na mnohem nižší hodnoty a poskytují vhodný způsob bezpečného sledování skutečného elektrického proudu tekoucího v přenosovém vedení střídavého proudu pomocí standardního ampérmetru. Princip činnosti základního transformátoru proudu se mírně liší od principu činnosti běžného transformátoru napětí.

Na rozdíl od transformátoru napětí nebo výkonového transformátoru se transformátor proudu skládá pouze z jednoho nebo velmi malého počtu závitů primárního vinutí. Toto primární vinutí může být buď z jednoho plochého závitu, cívky z těžkého drátu ovinutého kolem jádra, nebo jen z vodiče či přípojnice umístěné středovým otvorem, jak je znázorněno na obr. 1.

Vzhledem k tomuto typu uspořádání se transformátor proudu často označuje také jako "sériový transformátor", protože primární vinutí, které nikdy nemá více než velmi málo závitů, je v sérii s vodičem, který přivádí proud do zátěže.
Sekundární vinutí však může mít velký počet závitů navinutých na laminovaném jádře z magnetického materiálu s nízkými ztrátami. Toto jádro má velký průřez, takže hustota magnetického toku vytvářená pomocí vodičů s mnohem menším průřezem je nízká, v závislosti na tom, jak moc musí být proud odstupňován, protože se snaží vydávat konstantní proud, nezávislý na připojené zátěži.
Sekundární vinutí bude dodávat proud buď do zkratu v podobě ampérmetru, nebo do odporové zátěže, dokud napětí indukované v sekundáru nebude dostatečně velké, aby nasytilo jádro nebo způsobilo poruchu z nadměrného průrazu napětí.
Na rozdíl od transformátoru napětí není primární proud proudového transformátoru závislý na proudu sekundární zátěže, ale je řízen externí zátěží. Sekundární proud je obvykle dimenzován na standardní hodnotu 1 nebo 5 Ampér pro větší hodnoty primárního proudu.
Existují tři základní typy transformátorů proudu: vinuté, toroidní a tyčové.

• Vinutý transformátor proudu - Primární vinutí transformátoru je fyzicky zapojeno do série s vodičem, kterým protéká měřený proud v obvodu. Velikost sekundárního proudu závisí na poměru závitů transformátoru.
• Toroidní transformátor proudu - Neobsahují primární vinutí. Místo toho je vedení, kterým protéká proud v síti, provlečeno okénkem nebo otvorem v toroidním transformátoru. Některé transformátory proudu mají "dělené jádro", které umožňuje jeho otevření, instalaci a uzavření, aniž by se odpojil obvod, k němuž jsou připojeny.
• Tyčový transformátor proudu - Tento typ transformátoru proudu používá jako primární vinutí skutečný kabel nebo přípojnici hlavního obvodu, což odpovídá jednomu závitu. Jsou plně izolovány od vysokého provozního napětí systému a obvykle jsou přišroubovány k proudovému zařízení.

Proudové transformátory mohou "snižovat" úroveň proudu z tisíců ampérů na standardní výstup známého poměru buď na 5 ampérů, nebo na 1 ampér pro běžný provoz. Proto lze s nimi používat malé a přesné přístroje a řídicí zařízení, protože jsou izolovány od jakéhokoli vysokonapěťového vedení. Existuje celá řada měřicích aplikací a použití proudových transformátorů, například s wattmetry, měřiči účiníku, watt-hodinoměry, ochrannými relé nebo jako vypínací cívky v magnetických jističích neboli MCB.
Obecně se transformátory proudu a ampérmetry používají společně jako sladěná dvojice, v níž je konstrukce transformátoru proudu taková, aby poskytovala maximální sekundární proud odpovídající plné výchylce na ampérmetru. Ve většině transformátorů proudu existuje přibližný inverzní poměr závitů mezi oběma proudy v primárním a sekundárním vinutí. Proto se kalibrace CT obvykle provádí pro určitý typ ampérmetru.

Většina transformátorů proudu má standardní jmenovitou hodnotu sekundárního proudu 5 A, přičemž primární a sekundární proudy jsou vyjádřeny jako poměr, například 100/5. To znamená, že primární proud je 20krát větší než sekundární proud, takže když primárním vodičem protéká 100 A, bude sekundárním vinutím protékat 5 A. Proudový transformátor, řekněme 500/5, bude při 500 ampérech v primárním vodiči produkovat 5 ampérů v sekundáru, tedy 100krát více.
Zvýšením počtu sekundárních vinutí (Ns) lze dosáhnout toho, že sekundární proud bude mnohem menší než proud v měřeném primárním obvodu, protože s rostoucím Ns klesá úměrně Is. Jinými slovy, počet závitů a proud v primárním a sekundárním vinutí spolu souvisí v nepřímé úměře.
Proudový poměr určuje poměr závitů, a protože primární část se obvykle skládá z jednoho nebo dvou závitů, zatímco sekundární část může mít několik set závitů, může být poměr mezi primární a sekundární částí poměrně velký. Předpokládejme například, že jmenovitý proud primárního vinutí je 100 A. Sekundární vinutí má standardní jmenovitý proud 5 A. Pak je poměr mezi primárním a sekundárním proudem 100 A ku 5 A, tedy 20:1. Jinými slovy, primární proud je 20krát větší než sekundární proud.
Je však třeba poznamenat, že transformátor proudu se jmenovitým proudem 100/5 není stejný jako transformátor se jmenovitým proudem 20/1 nebo dílčími hodnotami 100/5. Je to proto, že poměr 100/5 vyjadřuje "jmenovitý vstupní/výstupní proud", a nikoli skutečný poměr primárních a sekundárních proudů. Všimněte si také, že počet závitů a proud v primárním a sekundárním vinutí spolu souvisí v obráceném poměru.
Poměrně velkých změn v poměru závitů transformátoru proudu lze však dosáhnout úpravou primárních závitů přes okno CT, kde jeden primární závit se rovná jednomu průchodu a více než jeden průchod oknem vede ke změně elektrického poměru.
Tak například proudový transformátor s poměrem řekněme 300/5 A lze přeměnit na jiný 150/5 A nebo dokonce 100/5 A průchodem hlavního primárního vodiče jeho vnitřním oknem dvakrát nebo třikrát, jak je znázorněno na obr. 3. To umožňuje, aby proudový transformátor s vyšší hodnotou poskytoval maximální výstupní proud pro ampérmetr při použití na menších primárních vedeních.

Transformátor proudu by nikdy neměl zůstat otevřený nebo pracovat bez připojené zátěže, když jím protéká hlavní primární proud, stejně jako by transformátor napětí nikdy neměl pracovat do zkratu. Má-li být ampérmetr (nebo zátěž) odpojen, měl by se nejprve na sekundární svorky umístit zkrat, aby se vyloučilo riziko úrazu elektrickým proudem.
Při otevřeném obvodu sekundáru totiž pracuje železné jádro transformátoru s vysokým stupněm nasycení, a když ho nic nezastaví, vytváří abnormálně velké sekundární napětí! Toto vysoké sekundární napětí by mohlo poškodit izolaci nebo způsobit úraz elektrickým proudem, pokud by se někdo náhodně dotkl svorek CT.
V současné době je k dispozici mnoho specializovaných typů transformátorů proudu. ASi nejpoužívanějším je oblíbený a přenosný typ, který lze použít k měření zatížení obvodu pomocí tzv. klešťového měřiče, jak je znázorněno na obr. 4.
Klešťové měřiče se otevírají a zavírají kolem vodiče, kterým protéká proud, a měří jeho proud určením magnetického pole kolem něj, čímž poskytují rychlý údaj o měření obvykle na digitálním displeji, aniž by bylo nutné odpojovat nebo otevírat obvod.
Kromě ručního klešťového CT jsou k dispozici i transformátory proudu s děleným jádrem, které mají jeden konec odnímatelný, takže k jejich instalaci není nutné odpojovat zatěžovací vodič nebo přípojnici. Ty jsou k dispozici pro měření proudů od 100 do 5 000 ampérů, s velikostí čtvercového okna od 25 mm do více než 300 mm.
Shrňme tedy, že proudový transformátor (CT) je typ přístrojového transformátoru, který se používá k převodu primárního proudu na sekundární proud prostřednictvím magnetického média. Jeho sekundární vinutí pak poskytuje značně redukovaný proud, který lze použít pro detekci nadproudu, podproudu, špičkového proudu nebo průměrného proudu.

Primární cívka transformátoru proudu je vždy zapojena do série s hlavním vodičem, a proto se také označuje jako sériový transformátor. Jmenovitý sekundární proud je pro snadné měření dimenzován na 1 A nebo 5 A.
Proudové transformátory jsou určeny k použití jako proporcionální proudové přístroje. Proto by sekundární vinutí transformátorů proudu nemělo být nikdy provozováno do otevřeného obvodu, stejně jako by transformátor napětí neměl být provozován do zkratu.
Při otevřeném obvodu sekundárního obvodu transformátoru proudu pod napětím vznikne velmi vysoké napětí, takže jejich svorky musí být zkratovány, pokud má být ampérmetr vyjmut nebo pokud se CT před zapnutím systému nepoužívá.