NAPONSKI MJERNI TRANSFORMATORI 1. Uvod Neposredan priključak uređaja za vođenje i zaštitu elektroenergetskog sustava na vodove visokog napona zahtijevao bi izgradnju vrlo skupih i glomaznih mjernih instrumenata i releja zbog visokih napona (dimenzije instrumenata radi izolacije) i velikih struja (presjek vodiča, sile među vodičima) čime to postaje nepraktično i gotovo neizvedivo. Radi toga se koriste mjerni transformatori koji mjerene napone i struje svode na veličine koje omogućuju upotrebu instrumenata izgrađenih za nazivne napone od 100 V odnosno nazivne struje od 5 A i 1 A. Ujedno mjerni transformatori odvajaju mjerne instrumente od visokih napona u mjerenom krugu tako da rukovanje njima postaje bezopasno. Podjelu mjernih transformatora je moguće napraviti u više kategorija prema: • veličini koju transformiraju: - strujni, - naponski, • mjestu ugradnje: - za unutarnju, - za vanjsku montažu, • tipu glavne izolacije: - izolirani papirom impregniranim uljem, - epoksidnom smolom, - plinom SF6, • principu rada: - strujni: - induktivni strujni transformatori, - optički transformatori koji koriste Faradayev efekt,

- konvencionalni transformatori s naponskim ili optičkim izlazom,

- transformatori koji koriste zavojnice Rogowskog, - transformatori koji koriste Hallov efekt, - naponski: - induktivni naponski transformatori, - kapacitivni naponski transformatori, - optički transformatori koji koriste Pockelsov efekt, - otporno i RC djelilo, - kombinirani mjerni transformator. Vrlo je važno da se transformacijom vrijednosti zadrži tražena minimalna točnost kako bi se ta vrijednost pouzdano mogla dalje koristiti. Strujni transformatori moraju vjerno prenositi na sekundar primarne veličine u samom trenutku pojave kvara kao i u prijelaznom periodu nakon pojave

1

kratkog spoja ili drugog poremećaja da bi se relejnoj zaštiti omogućilo brzo i selektivno djelovanje. Greške transformatora zbog naglih promjenama amplituda ili pojava zbog prijelaznih stanja mogu uzrokovati zakašnjelu ili preranu, nepotrebnu proradu zaštite. Veza između potreba korisnika koji određuje vrstu mjerenja ili zaštite i proizvođača transformatora postoji preko IEC standarda koji definiraju karakteristike mjernih transformatora:

- IEC 60044-1 Strujni transformatori - IEC 60044-2 Induktivni naponski transformatori - IEC 60044-3 Kombinirani naponski transformatori - IEC 60044-5 Kapacitivni naponski transformatori - IEC 60044-6 Strujni transformatori pri prijelaznim stanjima - IEC 60044-7 Elektronički naponski transformatori

- IEC 60044-8 Elektronički strujni transformatori Nazivne vrijednosti mjernih transformatora određene su njegovom pozicijom u postrojenju, naponskom razinom, vrijednosti struja kratkih spojeva, prijenosnim omjerom te njegovom namjenom (transformatri za zaštitu ili mjerenje). 2. Induktivni transformatori

Induktivni mjerni transformatori, i naponski i strujni, principijelno su izvedeni kao svaki transformator sa željezom, sastoje se od primarnog i sekundarnog namota koji su međusobno odvojeni i izolirani i željezne jezgre. Primarni namot naponskog transformatora priključuje se paralelno trošilu kojem se mjeri napon, a strujnog u seriju sa trošilom. Da bismo mjernim transformatorom mogli mjerenjem sekundarnog napona odrediti koliki je primarni napon, zahtijevamo da on transformira u stalnom omjeru i bez fazne pogreške. Omjer primarnog i sekundarnog napona je stalan i iznosi:

2

1

2

1

NN

UU

=r

r

(2.1.)

gdje su N1 broj zavoja primara a N2 broj zavoja sekundara. Omjer primarne i sekundarne struje također je konstantan:

1

2

2

1

NN

II=r

r

(2.2.)

Kod realnog transformatora postoje gubici u primaru i sekundaru: - radni otpor primarnog namota R1

- radni otpor sekundarnog namota R2

2

- rasipni primarni tok X1 = �L� - rasipni sekundarni tok X2 = �L2� - gubici zbog magnetiziranja jezgre R0 i X0

Uzevši u obzir gubitke, dolazimo do nadomjesne sheme transformatora dane slikom:

Slika 2.1. Nadomjesna shema transformatora

Svi parametri nadomjesne sheme reducirani su na sekundar relacijama:

2

1

200

2

1

211

2

1

200

2

1

211

2

100

2

111

1

211

=″

=″

=″

=″=″=″=″

NNXX

NNXX

NNRR

NNRR

NNII

NNII

NNUU

rrrr

(2.3.)

Na osnovu nadomjesne sheme crta se vektorski dijagram transformatora prikazan slikom

3

Slika 2.2. Vektorski dijagram transformatora

Na njoj je naznačen i napon ″iUr

, napon koji se u sekundarnom namotu inducira tokom Φ, zajedničkim za primarni i sekundarni namot. Inducirani napon je jednak:

Femi

mFem

mi

SBfNUBSΦ

tΦNu

2

2

44,4

cos

=′′==′′ ωω

(2.4.)

Za održanje toka Φ potrebna je struja magnetiziranja koja se

sastoji od jalove komponente

″0Ir

″µIr

u fazi s tokom Φ i radne komponente ″gIr

koja pokriva gubitke u željezu.

″

″=″″

″=″

00

R

UIjX

UI ig

i

rr

rrµ (2.5.)

Pogreške mjernih transformatora ovise o padovima napona u samom transformatoru (kod naponskog transformatora) odnosno o struji magnetiziranja (strujni transformator).

Naponski transformator Od naponskog transformatora zahtijeva se da transformira mjereni napon u stalnom omjeru i bez faznog pomaka. Nazivni omjer transformacije definiramo relacijom:

n

nn UU

k2

1= (2.6)

Naponski transformator može biti namijenjen mjerenju faznog ili linijskog napona. Ovisno o tome razlikujemo dva tipa naponskih transformatora: jednopolno i dvopolno izolirani. Jednopolno izolirani transformator ima jedan visokonaponski priključak dok je drugi kraj primarnog odnosno visokonaponskog namota spojen s metalnim kućištem i uzemljen.

4

Njegov nazivni primarni napon jednak je faznom nazivnom naponu mreže. Dvopolno izolirani mjerni transformator ima dva visokonaponska priključka i nazivni primarni napon mu je jednak linijskom nazivnom naponu mreže.

Idealni naponski transformator bi transformirao mjerene vrijednosti u stalnom omjeru i bez faznog pomaka, no realni transformator čini naponsku i faznu pogrešku. Naponska pogreška je:

% 100 1

12

UUUkp n

u−

= (2.7.)

Fazna pogreška �u je fazna razlika između vektora primarnog i sekundarnog napona. Ona je pozitivna ako je vektor sekundarnog napona vremenski ispred vektora primarnog napona. Naponsku i faznu pogrešku naponskog transformatora uzrokuju primarna i sekundarna struja koje stvaraju padove napona na primarnom i sekundarnom djelatnom otporu R1 i R2 te rasipnim reaktancijama X1 i X2. Koristeći se vektorskim dijagramom naponskog transformatora na slici, te uz pretpostavku da je nazivni omjer transformacije jednak omjeru broja zavoja

, naponsku pogrešku možemo izraziti: 21 / NN

% 100 % 100 1

12

1

12

UUU

UUUkp n

u ′′′′−

=−

= (2.8.)

Naponska pogreška je razlika duljina vektora ″1Ur

i U 2

r, a fazna kut

između njih. Naponska pogreška je pozitivna ako je duljina vektora U 2

r veća

od duljine vektora U ″1

r. Kutna pogreška je pozitivna ako vektor sekundarnog

napona prethodi vektoru primarnog napona.

3. Izvedbe mjernih transformatora 3.1. Epoksidni mjerni transformatori

Mjerni transformatori izolirani epoksidnom smolom praktički su potpuno istisnuli sva druga rješenja za nazivne napone do 35 kV, a izrađuju se i za napone do 110 kV. Kod izrade takvog transformatora najprije se izrađuje i sastavlja cijeli aktivni dio, a zatim se on zalijeva u prikladnim kalupima epoksidnom smolom. Na osnovi ovakvog tehnološkog postupka i visokih izolacijskih svojstava epoksidnih smola ostvarene su konstrukcije malih dimenzija vrlo prikladne za ugradnju u rasklopna postrojenja u bilo kojem položaju.

Epoksidni naponski transformatori izrađuju se za nazivne napone do 110 kV, dvopolno ili jednopolno izolirani. Redovito su prikladni samo za unutrašnju montažu i mogu se ugraditi u bilo kojem položaju.

5

Slika 3.1. Epoksidni jednopolno izolirani naponski transformator Končar VPA

3.2. Uljni mjerni transformatori

Koriste se za nazivne napone više od 35 kV, posebice za vanjsku montažu. Jezgra, primarni i sekundarni namot u uljnom su kotlu i međusobno su izolirani papirnom bandažom. Kotao i porculanski provodnici tijesno su priljubljeni uz aktivni dio transformatora radi smanjenja veličine i mase. Transformator je hermetički zatvoren da ne bi došlo do prodiranja vanjske vlage u ulje čime bi mu se smanjila dielektrična čvrstoća. Dilatacija ulja odnosno promjena njegova volumena zbog promjene temperature omogućuje se elastičnom membranom (metalnom, gumenom), koja omogućava održavanje gotovo nepromjenjenog tlaka u transformatoru. Uljne induktivne naponske transformatore može se podijeliti na tri tipa:

• naponski transformatori sa zatvorenom jezgrom (slika 3.2.a),

• naponski transformatori sa otvorenom jezgrom (slika 3.2.b),

• kaskadni naponski transformator (slika 3.2.c). Kod naponskog transformatora sa zatvorenom jezgrom primarni i

sekundarni namot su smješteni na jednoj jezgri koja se nalazi na potencijalu zemlje. Namoti su obično izvedeni u slojevima sa papirom impregniranim uljem kao međuslojnom izolacijom. Aktivni dio je smješten u uzemljenom kućištu.

6

a) b) c)

Slika 3.2. Naponski uljni transformatori

a) sa zatvorenom jezgrom, Trench VEOT b) sa otvorenom jezgrom, Končar VPU

c) kaskadni, Trench VEOS Kod naponskog transformatora sa otvorenom jezgrom ona poprima

oblik stupa, a magnetski tok se zatvara kroz zrak. Jezgra je smještena okomito, a na nju su namotani sekundarni, a zatim primarni namot. Između njih je smješten izolatorski cilindar sa ugrađenim kondenzatorskim zaslonima za raspodjelu potencijala. Ovom izvedbom znatno se smanjuju dimenzije transformatora i pojednostavljuje se izoliranje jer se gubi izolacija prema jarmu. Naponski transformator sa otvorenom jezgrom donosi slijedeće prednosti u odnosu na klasičnu izvedbu:

7

- smještaj primarnog napona duž visine transformatora optimizira raspodjelu napona radne frekvencije na izolator, te osigurava veliku hlađenu površinu namota što je poželjno s obzirom na pregrijavanje.

- zahvaljujući smještaju i građi aktivnog dijela i odličnim termičkim svojstvima može se znatno termički opteretiti

- sve sekcije primarnog napona su galvanski povezane sa zaslonima unutar izolatorskog cilindra, što povećava longitudinalni kapacitet primatnog namota i čini ga iznimno otpornim na atmosferske i brze prenapone.

- otvorena jezgra ima relativno veliku struju magnetiziranja što znači da je krivulja magnetiziranja nagnuta prema apscisi. Takva krivulja magnetiziranja nema sjecište sa u-i karakteristikama mreže sa realnim kapacitetima koji uzrokuju pojavu ferorezonancije. Zbog toga je pojava ferorezonancije na naponskom transformatoru sa otvorenom jezgrom praktički nemoguća.

- ovaj koncept u kombinaciji sa inverznim strujnim transformatorom daje primjenjivo rješenje za kombinirani mjerni transformator.

3.3. Kombinirani mjerni transformatori

Kao treća vrsta mjernih transformatora, uz naponske i strujne, može se uvrstiti njihova kombinacija, kombinirani mjerni transformator. Ovaj koncept koji podrazumijeva smještaj strujnog i naponskog transformatora u istom kućištu doživio je nekoliko izvedbi i zauzeo svoj dio tržišta. Razlikujemo nekoliko tehničkih rješenja kombiniranih transformatora: - Inverzni strujni transformator smješten u glavi kombiniranog

transformatora a induktivni transformator sa zatvorenom jezgrom smješten u podnožju transformatora u zasebnom metalnom kućištu

- Glavna izolacija strujnog transformatora koristi se kao visokonaponski djelitelj kapacitivnog naponskog tansformatora. Induktivna jedinica s međunaponskim transformatorom smještena je u odvojeno kućište

- Kombinirani transformator s izolacijom od plina SF6, gdje su najčešće strujni i naponski transformator smješteni u glavi kombiniranog transformatora

- Novo rješenje predstavlja kombinirani transformator s inverznim strujnim transformatorom i naponskim transformatorom s otvorenom magnetskom jezgrom.

8

Slika 3.3 Uzdužni presjek kombiniranog transformatora Končar VAU

Kombinirani transformator sastoji se od: - glave (1) u koju su smještene jezgre i sekundarni namoti (4) strujnog

transformatora, - potpornog izolatora (2) kroz kojega prolaze sekundarni izvodi strujnog

transformatora (7), sadrži otvorenu magnetsku jezgru (9), primarne (13) i sekundarne (11) namote naponskog transformatora,

- kućišta (3). Prednosti nove koncepcije u odnosu na poznata rješenja su: - zauzimanje relativno manjeg prostora smještajem otvorene jezgre i

sekundarnih namota naponskog transformatora unutar potporne cijevi, - primarni namot naponskog transformatora smješten po visini potpornog

izolatora optimizira raspodjelu potencijala po visini transformatora i štedi na prostoru,

- ravnomjerna raspodjela težine unutar transformatora smještajem jezgre i namota naponskog transformatora unutar potpornog izolatora.

9

Slika 3.4.a Kombinirani transformator VAH (Končar) za vanjsku montažu

Slika 3.4.b Kombinirani transformator VAH (Končar) u pogonu

10

3.4. Plinom izolirani mjerni transformatori Kao izolirajući medij umjesto epoksidnih smola i ulja, koristi se i plin

sumporni heksafluorid (SF6). Ovaj plin pokazuje odlična izolacijska svojstva, ne gubi svojstva s vremenom niti pod utjecajem najviših električnih i toplinskih naprezanja, inertan je, netoksičan i nezapaljiv.

Dva su načina primjene mjernih transformatora izoliranih plinom:

• samostojeći plinom izolirani mjerni transformatori – radi se o transformatorima namijenjenima za postavljanje u atmosferi. Slični su izvedbama mjernih transformatora izoliranih uljem, osim što kao izolacija služi SF6 plin. Prednosti SF6 mjernih transformatora su:

- nema efekta starenja, - manja masa i kompaktan dizajn, - nema opasnosti od eksplozije zahvaljujući sigurnosnom disku, - izolacijski sustav ekološki prihvatljiv, idealan za reciklažu, - mogućnost promjene dielektričnih svojstava promjenom pritiska plina - mogućnost stalne daljinske kontrole pritiska plina u pogonu. • mjerni transformatori namijenjeni ugradnji u oklopljena plinom

izolirana postrojenja (GIS – gas insulated switchgear). Ovdje se koriste klasični induktivni mjerni transformatori prilagođeni plinskom izolacijskom sredstvu. Osim njih, počinju se koristiti i strujni i naponski transduktori odnosno novi senzori sa niskonaponskim signalnim izlazom prilagođenim sekundarnoj opremi baziranoj na mikroprocesorskoj tehnologiji. Opširnije o novim senzorima u slijedećim poglavljima. U GIS postrojenjima se najčešće koriste strujni transduktori temeljeni na konvencionalnim transformatorima te naponska RC dijelila.

a) b) c) Slika 3.5 SF6 plinom izolirani mjerni transformatori

a) Naponski SF6 transformator Trench SVS b) Strujni SF6 transformator Trench SAS

c) Kombinirani SF6 mjerni transformator SVAS

11

4. Posebne karakteristike i zahtjevi za naponske mjerne transformatore

4.1. Nazivne karakteristike 4.1.1. Nazivne vrijednosti primarnog napona

Standardne vrijednosti nazivnog primarnog napona trofaznih i jednofaznih transformatora koji se koriste u jednofaznom sustavu ili između vodova i trofaznom sustavu bit će jedna od vrijednosti napona sustava prema standardu IEC 60038.

4.1.2. Nazivne vrijednosti sekundarnog napona Standardne vrijednosti nazivnog sekundarnog napona odabiru se prema

potrebi lokacije gdje će se transformator koristiti. Za jednofazne transformatore u jednofaznom sustavu ili spojenog između vodova trofaznog sustava, te za trofazne transformatore vrijedi na području Europe: - 100 V i 110 V, - 200 V za proširene sekundarne krugove.

Na području SAD-a i Kanade koriste se naponi od 120 V (distribucija), 115 V (prijenos) i 230 V (za proširene sekundarne krugove). Za jednofazne transformatore, korištene u trofaznim sustavima između faza i zemlje u kojima je primarni napon vrijednost podijeljena s 3 , sekundarni nazivni napon bit će jedna od navedenih vrijednosti podijeljena s 3 , zbog očuvanja vrijednosti prijenosnog omjera transformatora. Napomena: Gdjegod je moguće, nazivni omjer transformacije treba biti jednostavna vrijednost. Ako se koristi jedna od vrijednosti: 80605040301520151210 −−−−−−−−−

i njihovi višekratnici, pokrit će se većina standardnih nazivnih napona prema IEC 60038.

4.1.3. Standardne vrijednosti nazivne izlazne snage Standardne vrijednosti nazivne izlazne snage kod faktora snage 0,8

induktivno: 10, 15, 25, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 400, 500 VA Preferirane vrijednosti su podvučene. Izlazna snaga trofaznog transformatora bit će izlazna snaga po fazi.

4.1.4. Standardne vrijednosti nazivnog faktora napona Faktor napona definiran je maksimalnim radnim naponom koji ovisi o

sustavu i uzemljenju primarnog namota naponskog transformatora.

12

Standardne vrijednosti faktora napona te dopušteno vrijeme trajanja maksimalnog napona dane su u tablici 4.1.

Tablica 4.1. Standardne vrijednosti nazivnog faktora napona

Nazivni faktor

napona

Nazivno vrijeme

Metoda spajanja primarnog namota i uzemljenja

1,2 kontinuirano Između faza

Između transformatorskog zvijezdišta i zemlje

1,2 kontinuirano

1,5 30 s Između faze i zemlje u mreži s efikasno

uzemljenom nul-točkom

1,2 kontinuirano

1,9 30 s

Između faze i zemlje u mreži s neefikasno uzemljenom nul-točkom te s automatskom

zaštitom od zemljospoja

1,2 kontinuirano

1,9 8 h

Između faze i zemlje u mreži s izoliranom nul-točkom bez automatske zaštite od

zemljospoja ili u rezonantno uzemljenoj mreži bez automatske zaštite od

zemljospoja

Napomena: Smanjena nazivna vremena se uzimaju u dogovoru između proizvođača i korisnika

4.1.5. Označavanje

4.1.5.1.

4.1.5.2.

Oznake priključaka - općenito Označavanje koristimo za jednofazne naponske transformatore, za set

jednofaznih naponskih transformatora spojenih kao tropolni transformator te za tropolne naponske transformatore koji imaju zajedničku jezgru za tri faze.

Oznake kod naponskih transformatora Označavanje priključaka naponskih transformatora treba biti kako je dano na slici 4.1.

13

Jednofazni dvopolno izolirani transformator s jednim

sekundarom

Jednofazni dvopolno izolirani transformator s dva sekundara

Jednofazni jednopolno izolirani transformator s jednim

sekundarom

Trofazni transformator s dva

sekundara Tropolni sklop s jednim

sekundarom

14

Jednofazni transformator s otcijepima na sekundaru

Jednofazni transformator s otcijepima na oba sekundarna

namota

Tropolni set s jednim sekundarom i otcjepima na sekundaru

Jednofazni jednopolno izolirani transformator s jednim namotom za spajanje

u otvoreni trokut

15

Trofazni transformator s jednim namotom spajanim u otvoreni trokut.

Velika slova A, B ,C i N označavaju priključke primarnih namota, a mala slova a, b, c i n sekundarnih namota. Slova A, B i C označavaju potpuno izolirane priključke, a slovo N priključak koji treba biti uzemljen i izolaciju koja je manja nego na drugim priključcima. Oznake "da" i "dn" označavaju priključke čiji se namoti koriste za spajanje u otvoreni trokut.

16

4.1.5.3. Određivanje relativog polariteta Svi priključci označeni s velikim ili malim slovima trebaju istovremeno imati isti

polaritet.

4.2. Klase točnosti Mjerna klasa točnosti jednaka je dopuštenoj apsolutnoj naponskoj pogrešci u

postocima pri naponu koji je u granicama od 0,8 Un1 do 1,2 Un1 i za terete od 25 do 100 % nazivnog tereta uz induktivni faktor snage 0,8. Za naponske transformatore za mjerenja razlikujemo pet klasa točnosti. Tablica 4.2. Klase točnosti naponskih transformatora za mjerenje

Klasa točnosti

Naponska pogreška ± [%]

Fazna pogreška [min]

0,1 0,1 5

0,2 0,2 10

0,5 0,5 20

1,0 1,0 40

3,0 3,0 nije određeno

Za naponske transformatore klase 0,1 i 0,2 nazivnog tereta manjeg od 10 VA

može se specificirati prošireni raspon tereta. Tada naponska i fazna pogreška ne smiju poprimiti vrijednosti veće od onih danim tablicom 7.2. za bilo koju vrijednost tereta od 0 VA do 100% nazivnog tereta, uz faktor snage tereta jednak 1. Za naponske transformatore na koje priključujemo uređaje za zaštitu razlikujemo dvije klase točnosti, 3P i 6P, za koje naponska i fazna pogreška ne smiju premašiti zadane vrijednosti pri nazivnoj frekvenciji, i to u rasponu od 5% nazivnog napona do napona koji odgovara nazivnom faktoru napona, te uz terete od 25 do 100% nazivnog tereta, uz induktivni faktor snage 0,8.

Tablica 4.3 Klase točnosti naponskih transformatora za zaštitu

Klasa točnosti

Naponska pogreška ± [%]

Fazna pogreška [min]

3P 3,0 120

6P 6,0 240

Za napon jednak 2 % nazivnog napona dozvoljene naponske i fazne pogreške

imaju vrijednosti dvostruko veće od onih danih tablicom, uz teret od 25 – 100 % nazivnog tereta, uz induktivni faktor snage tereta 0,8.

17