بررسی جامع فنی شامل عملکرد، و نکات حیاتی ایمنی در شبکه‌های قدرت

به گزارش تیتر۲۴، ترانسفورماتور جریان (Current Transformer یا CT) یک ابزار برق کلیدی و حیاتی در زیرساخت‌های شبکه‌های قدرت محسوب می‌شود که هدف اصلی آن مدیریت جریان‌های بالا و متناوب (AC) در مدارات فشار قوی است. CTها از نظر عملکرد کلی شبیه به ترانسفورماتورهای قدرت (ترانسفورماتور ولتاژ) هستند، اما در طراحی و کاربرد تخصصی تفاوت‌های مهمی دارند.
وظیفه اولیه ترانسفورماتور جریان، تبدیل یک جریان بزرگ در سمت اولیه به یک مقدار جریان کوچک‌تر و استاندارد در سمت ثانویه است.این جریان ثانویه استاندارد (که معمولاً ۱ آمپر یا ۵ آمپر است ) سپس به عنوان ورودی به تجهیزات حساس اندازه‌گیری، مانیتورینگ، کنترلی و حفاظتی مانند رله‌ها، آمپرمترها، و کنتورهای وات-ساعت منتقل می‌شود. این فرآیند تبدیل، دو مزیت اساسی را فراهم می‌کند: اول، امکان استفاده از تجهیزات اندازه‌گیری با ظرفیت پایین‌تر و ایمن‌تر، و دوم، تأمین ایزوله‌سازی الکتریکی کامل بین مدار فشار قوی اولیه و تجهیزات فشار ضعیف ثانویه، که نقش بسیار مهمی در اطمینان از عملکرد امن و صحیح سیستم‌های برقی و حفاظت از پرسنل ایفا می‌کند.

تمایز عملکردی CT نسبت به ترانسفورماتور قدرت و پتانسیل (PT)

ترانس جریان برخلاف ترانسفورماتورهای پتانسیل (PT)، به طور اساسی به عنوان ترانسفورماتورهای سری (Series Transformer) طبقه‌بندی می‌شوند. سیم‌پیچ اولیه CT به صورت سری در مسیر خطی که جریان باید اندازه‌گیری شود، قرار می‌گیرد و لذا باید توانایی حمل جریان کامل خط را داشته باشد.
یک نکته محوری در درک مکانیسم عملکرد CT این است که جریان اولیه آن مستقل از شرایط مدار ثانویه است. جریان اولیه CT توسط بار اصلی شبکه (مثلاً یک ژنراتور یا یک خط انتقال) تعیین می‌شود، نه توسط امپدانس بار متصل به ثانویه. این بدان معناست که CT باید بتواند جریان ورودی را اندازه‌گیری کند، حتی اگر بار ثانویه تغییر کند یا حذف شود. این ماهیت سری و استقلال جریان اولیه، همان علت فیزیکی و مکانیسم خطر مدار باز شدن ثانویه CT است که در بخش‌های بعدی به تفصیل مورد بررسی قرار می‌گیرد. به کمک CT می‌توان از آمپرمترهای ۵ آمپری برای اندازه‌گیری جریان‌های بسیار بالا مانند ۲۰۰ آمپر یا بیشتر استفاده کرد.

اجزای کلیدی ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتور جریان یک دستگاه الکتریکی پیچیده است که برای عملکرد دقیق خود به اجزای مشخصی متکی است.۱
هسته مغناطیسی (Magnetic Core): هسته مغناطیسی CT عموماً از جنس آهن سیلیسیوم (Silicon Steel) ساخته می‌شود. طراحی این هسته معمولاً به شکل حلقوی یا تروئیدال (Toroidal) است و وظیفه اصلی آن ایجاد یک نسبت تبدیل ثابت و دقیق بین جریان ورودی و خروجی است. این هسته میدان مغناطیسی را حول جریان اولیه متمرکز می‌کند.
سیم‌پیچ‌های اولیه (Primary Windings): این پیچ‌ها جریان اصلی مورد اندازه‌گیری را عبور می‌دهند و به صورت سری در مدار قرار می‌گیرند. تعداد دورهای پیچ‌های اولیه (که بسته به نوع CT می‌تواند یک دور، چندین دور، یا صرفاً خود شین باشد) نسبت تبدیل را تعیین می‌کند.
سیم‌پیچ‌های ثانویه (Secondary Windings): این پیچ‌ها نیز به دور هسته مغناطیسی قرار می‌گیرند. جریان خروجی کاهش‌یافته برای اندازه‌گیری، از طریق این پیچ‌ها تولید می‌شود. تعداد دورهای پیچ‌های ثانویه نسبت به اولیه بسیار بیشتر است و این اختلاف در تعداد دورها، تعیین‌کننده نسبت کاهش جریان (نسبت تبدیل) است.
عایق‌بندی و محافظ‌ها: مواد عایقی، اغلب پلاستیک‌ها یا رزین‌های عایق، برای جدا کردن ایمن سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه و جلوگیری از نشت جریان به کار می‌روند. CTها همچنین دارای ترمینال‌ها و محافظ‌های خارجی برای اتصال و شناسایی آسان هستند.

طبقه‌بندی ساختاری و انواع پرکاربرد ترانسفورماتور جریان

ترانسفورماتورهای جریان بر اساس سطح ولتاژ کاربردی و همچنین طراحی فیزیکی سیم‌پیچ اولیه، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند.

 CTهای بر اساس سطح ولتاژ و محیط کاربری

ترانس جریان فشار ضعیف: این نوع CTها دارای سیم‌پیچ اولیه و ثانویه مجزا هستند و در رنج‌ها و ظرفیت‌های مختلفی برای اندازه‌گیری و حفاظت در سیستم‌های تک‌فاز و سه‌فاز تولید می‌شوند.
ترانس جریان فشار متوسط و فشار قوی: از این ترانس‌ها معمولاً در فضای باز استفاده می‌شود. آن‌ها برای تبدیل جریان ورودی اولیه به میزان استاندارد در سطح ولتاژهای بالا طراحی شده‌اند. مدل‌هایی مانند ترانس هسته بالا (Core-top) در این دسته قرار می‌گیرند که سیم‌پیچ‌هایشان برای عایق‌بندی بهتر، اغلب در داخل عایق روغن قرار دارند.

دسته‌بندی بر اساس ساختار سیم‌پیچی اولیه

CTها به طور عمده بر اساس نحوه اتصال یا ساختار سیم‌پیچ اولیه تقسیم‌بندی می‌شوند:

نوع سیم‌پیچی شده (Wound Type)

در این ساختار، سیم‌پیچ اولیه دارای چندین دور است که به صورت فیزیکی به صورت سری با هادی حامل جریان اندازه‌گیری‌شده در مدار متصل می‌شود.۳ اندازه جریان ثانویه به طور مستقیم به نسبت دور ترانسفورماتور بستگی دارد. این نوع CTها دقت بالایی در محدوده جریان خود ارائه می‌دهند، اما به دلیل نیاز به عایق‌بندی پیچیده‌تر برای اتصال سری سیم‌پیچ اولیه، اغلب برای جریان‌های بسیار بالا یا ولتاژهای فوق‌العاده بالا کاربرد ندارند.

نوع حلقه‌ای یا پنجره‌ای (Toroidal/Window Type)

این رایج‌ترین نوع CT است. CTهای حلقه‌ای سیم‌پیچ اولیه مجزایی ندارند. در واقع، هادی اصلی شبکه (کابل یا شینه) که جریان را حمل می‌کند، مستقیماً از درون سوراخ یا قاب ترانسفورماتور عبور می‌کند. این هادی عبوری به عنوان سیم‌پیچ اولیه با یک دور (One Turn) عمل می‌کند.
یکی از مزایای اصلی این طراحی، فراهم کردن ایزوله‌سازی عالی از ولتاژ بالای سیستم است، چرا که سیم‌پیچ اولیه فقط از یک هادی تشکیل شده که از داخل ترانس عبور می‌کند. CTهای حلقه‌ای اغلب در کابل‌ها، شین‌ها و بوشینگ ترانسفورماتورهای قدرت استفاده می‌شوند.

نوع میله‌ای (Bar Type)

در این نوع CT، شین یا کابل مدار اصلی به عنوان سیم‌پیچ اولیه تلقی می‌شود که معادل یک دور است. این ترانسفورماتورها اغلب به گونه‌ای طراحی می‌شوند که در داخل دستگاهی که جریان از آن می‌گذرد (مانند مدارشکن‌ها یا سوئیچگیرها) نصب شوند و کاملاً از ولتاژ بالای سیستم ایزوله هستند.

ملاحظات هسته بازوبست (Split Core)

برخی از ترانسفورماتورهای جریان حلقه‌ای، دارای هسته بریده یا قابل بازوبست (Split Core) هستند. مزیت اصلی این مدل، سهولت نصب است؛ به طوری که هسته می‌تواند بدون نیاز به قطع مدار و برش کابل‌ها یا شینه‌ها، باز شده، هادی از آن عبور داده شود و دوباره بسته شود.
با این حال، این ویژگی ساختاری یک محدودیت فنی را نیز به همراه دارد: وجود شکاف هوایی (Air Gap) در محل اتصال هسته بازوبست. اگرچه این شکاف به سهولت نصب کمک می‌کند، اما معمولاً دقت ذاتی CTهای هسته بازوبست را، به ویژه در اندازه‌گیری جریان‌های بسیار پایین، نسبت به CTهای هسته یکپارچه (Solid Core) کاهش می‌دهد. بنابراین، در کاربردهای اندازه‌گیری تجاری (Revenue Metering) که به دقت فوق‌العاده بالا نیاز است، ترجیح با CTهای هسته یکپارچه است.

 پروتکل‌های ایمنی عملیاتی 

توصیه قاطع فنی و ایمنی این است: ثانویه ترانسفورماتور جریان هرگز نباید در حین سرویس‌دهی مدار باز شود. این خطر جانی و تخریب تجهیزات را به همراه دارد.
قبل از انجام هرگونه کار بر روی تجهیزات متصل به ثانویه (مانند تعویض رله یا کنتور)، پرسنل عملیاتی باید با استفاده از نوار اتصال کوتاه یا سوئیچ‌های ترمینالی تعبیه‌شده، ترمینال‌های ثانویه CT را به طور کامل و ایمن اتصال کوتاه نمایند.
افق‌های نوین فناوری CT
با پیشرفت فناوری، تمرکز بر روی کاهش وابستگی به هسته‌های مغناطیسی سنتی است. نسل جدیدی از سنسورهای ابزار دقیق، موسوم به ترانسفورماتورهای ابزار غیرمتعارف (NCITs) یا سنسورهای فیبر نوری، در حال توسعه هستند. این سنسورها با حذف هسته مغناطیسی و استفاده از اصول نوری یا فیزیک حالت جامد (مانند اثر فارادی)، خطرات ناشی از اشباع هسته و اضافه ولتاژهای ثانویه در CTهای سنتی را به طور کامل از بین می‌برند و مسیر آینده را برای اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر و ایمن‌تر در شبکه‌های فشار قوی هموار می‌کنند.