Mjerni transformatori, Završni radovi od Teorija elektromagnetnog polja

Preuzmite Mjerni transformatori i više Završni radovi u PDF od Teorija elektromagnetnog polja samo na Docsity!

MJEŠOVITA SREDNJA ŠKOLA ŠKOLSKA GODINA: 2015/2016.

„HAZIM ŠABANOVIĆ“

ELEKTROTEHNIČKA ŠKOLA

MATURSKI RAD

PREDMET: Električna mjerenja

TEMA: Mjerni transformatori

MENTOR: Adisa Fejzić KANDIDAT: Admir Adžajlić

1. UVOD

U ovom maturskom radu obrazložićemo temu vezanu za mjerne transformatore kao dio postrojenja, i sa njima se upoznati malo više nego što smo to dosada radili. Mjerni transformatori imaju veliku primjenu u postrojenjima, pored pružanja dobre sigurnosti osoblja u postrojenjima, mjerni transformatori se koriste za snižavanje visokih vrijednosti struja, koje bi nam povećali presjeke vodiča i sile između vodiča, i napona, čija bi velika vrijednost zahtijevala veliku izolaciju i dimenzije instrumenata i releja što bi znatno poskupile izradu transformatora, koje obični mjerni instrumenti (voltmetar, ampermetar, vatmetar, razni releji) ne bi mogli mjeriti. Mjerni transformatori se mogu koristiti kod mjerenja i kod zaštite postrojenja. Mjerne transformatore za mjerenje u postrojenju možemo da podjelimo na strujne mjerne transformatore (one koji snižavaju visoku struju) i naponske mjerne transformatore (koji snižavaju visoki napon). Zbog neželjenih posljednica koje smo pomenuli, mjerni transformatori za mjerenje snižavaju (transformišu) struje i napone na standardne vrijednosti:

• (^) Struje do 5 A (strujni mjerni transformatori) i
• Napone do 110 V(naponski mjerni transformatori).

Prvi mjerni transformator koji ćemo obrađivati jeste strujni mjerni transformator. Strujni mjerni transformatori se mogu koristiti za transformaciju struja visokonaponskih vodova i velikih struja nisokonaponskih vodova. Prema tome strujne mjerne transformatore možemo podijeliti na strujne mjerne transformatore za niski napon i strujne mjerne transformatore za visoki napon.

Također ćemo govoriti i o strujnim mjernim transformatorima za istosmjernu struju, i njihovom načinu mjerenja.

Govorićemo takođe i o naponskim mjernim transformatorima koje možemo da podjelimo prema konstrukciji na suhe, uljne i malouljne, i prema izolaciji na: jednopolno izolirane, dvopolno izolirane i trofazne naponske mjerne transformatore. Također imamo i kondenzatorske ( kapacitivne) naponske mjerne transformatore.

Mjerni transformatori se sastoje od jezgre koja je od feromagnetnog materijala, i namotaja koji su najčešće od bakra (Cu).

Mjerni transformatori se izrađuju sa dva osnovna namotaja: primar i sekundar.

2. MJERNI TRANSFORMATORI

U ovom maturskom radu obrazložićemo temu vezanu za mjerne transformatore kao dio postrojenja, i sa njima se upoznati malo više nego što smo to dosada radili. Mjerni transformatori imaju veliku primjenu u postrojenjima, pored pružanja dobre sigurnosti osoblja u postrojenjima, mjerni transformatori se koriste za snižavanje visokih vrijednosti struja, koje bi nam povećali presjeke vodiča i sile između vodiča, i napona, čija bi velika vrijednost zahtijevala veliku izolaciju i dimenzije instrumenata i releja što bi znatno poskupile izradu transformatora, koje obični mjerni instrumenti (voltmetar, ampermetar, vatmetar, razni releji) ne bi mogli mjeriti. Mjerni transformatori se mogu koristiti kod mjerenja i kod zaštite postrojenja. Mjerne transformatore za mjerenje u postrojenju možemo da podjelimo na strujne mjerne transformatore (one koji snižavaju visoku struju) i naponske mjerne transformatore (koji snižavaju visoki napon). Zbog neželjenih posljednica koje smo pomenuli, mjerni transformatori za mjerenje snižavaju (transformišu) struje i napone na standardne vrijednosti:

• mjerene struje i napona različitih nazivnih vrijednosti, transformiraju se uvijek na iste nazivne vrijednosti (redovito uz struje od 1 A ili 5 A i napone 100 V).

Strujni mjerni transformator je takva vrsta mjernog transformatora koji se upotrebljava pri mjerenju struja velikih vrijednosti koje bi inače bilo teško mjeriti nekom direktnom metodom kao i za relejnu zaštitu. Strujni mjerni transformatori imaju dva osnovna namotaja: primar i sekundar, sa željeznom jezgrom od limova, što možemo da vidimo na slici 1.

Slika 1. Strujni mjerni tansformator sa namotajima

Primarni namotaj se spaja u seriju sa potrošačima pa struja koja protiče kroz ovaj namotaj je gotovo neovisna o teretu koji je priključen na sekundarnu stranu.

Ako bi uporedili rad energetskog transformatora sa SMT 1 vidjeli bi da su kod energetskog

transformatora U 1 (nazivni napon primara) i I 0 (struja magnetiziranja) neovisni o impedanci

koja je spojena na sekundarnu stranu. Zbog tih razloga slijedi i različito ponašanje SMT-a u praznom hodu i kratkom spoju na sekundarnim stezaljkama. Kod praznog hoda SMT-a struja koja teče primarnim namotajem jednaka je struji koja magnetiše jezgro, jer kroz sekundarni namotaj ne teče struja jer su stezaljke otvorene. Iz ovoga proizilaze sljedeće posljedice:

Dolazi do povećanja gubitaka u željezu (dolazi do zagrijavanja jezgre tako da željezni limovi mogu da promjene svoja magnetna svojstva), također dolazi do povećanja napona na sekundarnim stezaljkama koji može da ugrozi izolaciju, i osoblje. Zbog toga se nikada ne smije ostaviti sekundarni namotaj otvoren.

Kod rada SMT-a u kratkom spoju neće doći do nikakve opasnosti ako se njegove sekundarne stezaljke kratko spoje, jer tada će struja sekundara biti neznatno veća od struje u normalnom pogonu uz priključenu impedancu (potrošač) na sekundar.

Strujni mjerni transformator je zapravo jednofazni transformator sa kratko spojenim sekundarom. Strujni mjerni transformatori transformišu: struju visokonaponskih vodova i velike struje niskonaponskih vodova. Tako da razlikujemo dvije vrste strujnih mjernih transformatora, transformator za niski napon i trasformator za visoki napon. U strujnom mjernom transformatoru sekundarna struja zavisi od primarne struje. Primarni napon je jednak padu napona na primaru, i zavisi o veličini primarne struje i od opterećenja koje je priključeno na sekundar. Ako opterećenje na sekundaru poraste to jeste, ako priključimo veći broj aparata na sekundar, tada dolazi do porasta primarnog napona i primarne struje magnetiziranja. Poznato je ukoliko struja primara ima stalnu vrijednost, tada ce struja magnetiziranja ovisiti samo o impedanci Z koja je priključena na sekundar. Prema tome uz

porast sekundarne impedance Z, raste i pad napona, a samim tim i struja magnetiziranja I 0.

Svoju najveću vrjednost struja magnetiziranja ima kada je sekundarna impedanca beskonačno velika, to jest kada je sekundarni namotaj otvoren. Kada je sekundarni namotaj otvoren struja magnetiziranja je jednaka primarnoj struji. Prema tome struja magnetiziranja sa otvorenim sekundarnim namotajem može porasti za deset ili čak za sto puta od nominalne struje

Slika 2. Strujni trafo tipa AGU 3 420 kV u postrojenju u Mađarskoj

Slika 3. Visokonaponski strujni mjerni transformator za napone do 110 kV

Nominalna vrijednost primarne struje zavisi od mjesta primjene strujnog mjernog transformatora i može da ima vrijednost od 1A do par hiljada ampera. Strujni mjerni transformatori se izrađuju za sljedeće nazivne primarne struje: 5A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 40A, 50A, 60A, 75A i decimalni umnošci navedenih. Proizvode se i visokonaponski strujni mjerni transformatori čija je vrijednost naznačene primarne struje manja od 5A i to radi odvajanja visokog napona od mjernih uređaja. Sekundarna nazivna struja je uvijek 5A, bez obzira na vrjednost primarne struje. Poseban slučaj je da sekundarna struja može imati vrijednost 1A samo kada se strujni mjerni transformator i uređaji (mjerni i zaštitni) nalaze na velikoj udaljenosti (naprimjer kod elektrana).

Klasa tačnosti je određena strujnom greškom koja i kod najkvalitetnijih SMT mora postojati i uvijek se odnosi za nazivnu struju. Greške kod strujnih mjernih transformatora se dijele na strujne i ugaone (kutne). Kod strujnih mjernih transformatora razlikujemo pet klasa tačnosti a one su: 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1 ; 3 ; 5 (%).

Pored strujne greške definišemo i ugaonu (kutnu) grešku. Kutna greška je pozitivna ako sekundarna struja prednjači primarnoj struji. Kutna greška se mjeri u lučnim minutama i za klase tačnosti iznosi: za 0,1 kutna greška je ±5 lučnih minuta, za 0,2 kutna greška je ± lučnih minuta, za 0,5 kutna greška je ±30 lučnih minuta i za 1,0 kutna greška je ±60 lučnih minuta. Za klase tačnosti 3 i 5 ugaona greška nije definisana.

Nazivna snaga je prividna snaga izražena u VA (voltamperima) koju transformator šalje u sekundarni krug. Nazivna snaga je data izrazom S (^) n = I 22 · Zn (VA) , gdje je Z (^) n (Ω) nazivna sekundarna impedanca.

S obzirom da je elektromotorna sila indukovana u sekundarnom namotaju jednaka:

E = 4,44 · N · ƒ · a · B ( 3.)

Gdje je :

• N - broj namotaja sekundara
• ƒ - naznačena frekvencija (Hz)
• a - presjek jezgra
• B – magnetna indukcija u jezgru

dobijamo da je snaga koja se prenosi na sekundar jednaka:

S = 4,44 · N · ƒ · a · B · I 2 (VA) ( 4.)

Gdje je: I 2 - struja sekundara

Klasa tačnosti strujnog mjernog transformatora uvijek se odnose na nazivnu snagu strujnog mjernog transformatora. Ukoliko na sekundarne stezaljke strujnog mjernog transformatora priključimo veće ili manje opterećenje od nazivnog promjenuti će se i greška SMT-a. Zato je za tačnost rada strujnog mjernog transformatora veoma važno da bude opterećen nazivnom snagom. Snagu strujnog mjernog transformatora određuju instrumenti i releji koji su spojeni na sekundarnu stranu. Nazivne snage strujnih mjernih transforormatora su standardizirane i date su u sljedećoj tabeli:

Nazivna snaga S (VA) 5 10 15 30 45 60 90 120 180

Nazivna impedanca Z (Ω) kod 5A 0,2 0,4 0,6 1,2 1,8 2,4 3,6 4,8 7,

Iz izraza vidimo da je termička granična struja od 60 do 120 puta veća od nazivne primarne struje. Ukoliko kratak spoj traje „t“ sekundi tada je struja I' (^) ter data izrazom:

Dinamamička granična struja Idin (kA) je najveća vrijednost primarne struje, koju strujni mjerni transformator može po0dnijeti bez oštećenja od dinamičkih sila. Dinamička granična struja je data izrazom: Idin =

( 200 do 250 ) · I (^) n1 , dok za mjesto priključka SMT-a mora vrijediti sljedeća relacija:

Strujni mjerni transformator je termički i dinamički dobro odabran ako mu je termička granična struja veća od struje kratkog spoja, i ako mu je dinamička granična struja veča od udarne struje kratkog spoja.

3.3. Konstruktivne izvedbe strujnih mjernih transformatora

Strujni transformatori za niski napon su najčešće izvedeni sa izolacijom od epoksidne smole (ponekad i od plastike) i to u vidu takozvanog obuhvatnog transformatora. Strujni mjerni transformatori za srednje napone 6, 10, 20 i 35 kV i visoke napone 110 kV i više, imaju značajno drugačiji izgled. Transformatori za srednje napone se takođe najčešće rade sa izolacijom od epoksidne smole, dok se strujni transformatori za visoki napon izrađuju

izolovani uljem ili što je danas najčešće gasom SF 6 (sumporheksafluorid). Strujni mjerni

transformatori se izrađuju najčešće u sljedećim oblicima: suhi, malouljni, štapni, potporni i zamkasti.

Suhi strujni mjerni transformatori (slika 4.) izrađeni su od porculana. Izrađuju se za nazivne napone do 35 kV, zbog svojih malih dimenzija može se postavljati u bilo kom području. Koriste se samo za unutrašnju montažu.

Malouljni strujni mjerni transformatori (slika 5.) se izrađuju za nazivne napone do 60 kV, postavljaju se okomito tako da oba primarna izvoda prolaze kroz jedan zajednički izolator

(ulje). Za napone do 35 kV izrađuju se sa metalnim kotlom dok za napone 60 kV i više, namotaji i jezgra nalaze se u izolatoru. U novije vrijeme izvode se tako da se namotaji i jezgra nalaze u kotlu na dnu izolatora.

Štapni strujni mjerni transformator (slika 6.) se koristi i izrađuje za samo velike struje, jer se sastoji od jednog navoja(vodiča). Najčešće se koristi kao provodni izolator. Mogu se prespajati samo sekundarno. Izvode se za primarne nazivne struje od 100 A i više. Normalno se izvode za napone do 35 kV.

Potporni uljni strujni mjerni transformatori se izrađuju za najviše napone i za vanjsku montažu. Veoma su jednostavne konstrukcije i jeftini su.

Zamkasti strujni mjerni transformatori (slika 7.) su nastali kao pokušaj da se dobiju dobre osobine štapnog strujnog mjernog transformatora kod malih struja ili gdje je potrebna mogućnost prespajanja na primarnoj strani. Ugrađuju se tamo gdje je nepovoljna štapna izvedba radi malih primarnih struja. Dinamička granična struja im je ograničena, ali je i dosta velika. Sastoji se od dva provodna izolatora. Ugrađuju se u bilo kom položaju. Izvode se za napone do 35 kV.

Slika 6. Štapni strujni mjerni transformator 35 (30) kV

Slika 7. Zamkasti strujni mjerni transformatori 10 kV

3.4. Obilježavanje i način uzemljenja SMT-a

Obilježavanje krajeva namotaja primara je velikim slovima K i L idući u smjeru energije. Primarne stezaljke strujnih transformatora označavaju se velikim slovima K i L a sekundarne stezaljke malim slovima k i l. Dijelove strujnog mjernog transformatora koji nisu pod naponom moramo uzemljiti. Uzemljujemo i jednu stezaljku sekundarnog namotaja (najčešće stezaljku k). U slučajevima kada imamo dvostrano napajanje, a kako sabirnice u postrojenju smatramo tim izvorom, idući od njih prvo dolazi stezaljka K. Kod niskonaponskih strujnih mjernih transormatora uzemljenje nije potrebno.

3.5. Strujni mjerni transformatori za istosmjernu struju

Za mjerenje velikih istosmjernih struja koriste se transformatori koji podsjećaju na strujne mjerne transformatore za izmjeničnu struju. Najčešći način mjerenja istosmjerne struje je pomoću instrumenta sa zakretnim svitkom i paralelnim otpornikom (shuntom). On nije pogodan za mjerenje vrlo velikih istosmjernih struja, jer tada dolazi do velikih gubitaka u shuntu. SMT za istosmjernu struju prikazan je na slici 6.