Konstruksi Internal dan Jenis Transformator Arus

Inti: Inti dari Setiap Transformator Saat Ini

Inti magnetik adalah satu-satunya komponen yang paling menentukan kinerja di dalam transformator arus. Ini berfungsi sebagai media melalui mana energi dari konduktor primer ditransfer ke belitan sekunder melalui induksi elektromagnetik. Bentuk, bahan, dan luas penampang inti menentukan hampir setiap karakteristik kinerja perangkat akhir.

Geometri Inti

Kebanyakan inti transformator arus dibuat dalam bentuk toroidal (cincin). Geometri loop tertutup ini memastikan bahwa jalur fluks magnet bersifat kontinu, sehingga meminimalkan kebocoran fluks dan berkontribusi terhadap akurasi tinggi. Inti toroidal merupakan standar dalam instrumen tingkat pendapatan dan kelas perlindungan karena menghasilkan kesalahan sudut fasa yang sangat rendah pada arus pengenal.

Untuk transformator arus tipe luka yang digunakan dalam aplikasi rasio tinggi atau khusus, inti dapat dilaminasi dalam konfigurasi persegi panjang atau berbentuk C yang dirakit dari strip baja listrik berorientasi butiran. Inti yang dilaminasi ini memungkinkan pabrikan untuk menyesuaikan luas penampang secara tepat untuk beban target dan kelas akurasi.

Bahan Inti Magnetik

Pemilihan material inti magnet secara langsung mengontrol kelas akurasi transformator, perilaku saturasi, dan respons frekuensi. Tabel di bawah ini merangkum opsi yang paling umum:

Untuk pengukuran frekuensi daya standar pada 50 Hz atau 60 Hz, baja silikon CRGO tetap menjadi pilihan dominan karena keseimbangan yang menguntungkan antara biaya, ketersediaan, dan kinerja magnetik. Paduan nikel-besi dicadangkan untuk CT pengukuran pendapatan yang presisi di mana kesalahan harus dijaga dalam kisaran 0,1% atau 0,2% pada rentang beban yang luas.

Laminasi dan Isolasi Inti

Untuk mengurangi kerugian arus eddy, inti baja silikon dilaminasi menjadi strip tipis, biasanya setebal 0,23 mm hingga 0,35 mm. Setiap laminasi dilapisi dengan lapisan insulasi tipis — biasanya perlakuan fosfat atau pernis organik — yang mencegah arus mengalir antar lapisan. Laminasi yang lebih ketat dan strip yang lebih tipis mengurangi kehilangan dan penumpukan panas selama kondisi kelebihan beban yang berkelanjutan.

Belitan Sekunder: Mengubah Fluks menjadi Sinyal Terukur

Gulungan sekunder dililitkan langsung ke inti dan bertanggung jawab untuk menghasilkan arus keluaran yang diukur oleh instrumen, relai, dan meter. Konstruksi fisik belitan ini mempengaruhi akurasi dan kinerja termal.

Kawat Berliku dan Bahan Konduktor

Hampir semua gulungan sekunder dililit dari kawat tembaga berenamel. Kombinasi tembaga antara konduktivitas listrik yang tinggi, keuletan, dan karakteristik suhu yang dipahami dengan baik menjadikannya pilihan standar. Dalam desain ringan khusus, kawat aluminium kadang-kadang digunakan, meskipun memerlukan penampang yang lebih besar untuk mencapai target ketahanan yang sama dan memerlukan penghentian yang hati-hati untuk mencegah korosi.

Pengukur kawat dipilih untuk memenuhi spesifikasi resistansi belitan sekunder (sering disebut Rct — resistansi belitan sekunder). Rct yang lebih rendah memungkinkan sebagian besar EMF sekunder yang tersedia dikirim ke beban eksternal daripada dibuang secara internal sebagai panas. Hal ini secara langsung mempengaruhi akurasi pada tingkat beban rendah.

Teknik Penggulungan dan Penghitungan Putaran

Jumlah putaran belitan sekunder menentukan rasio transformasi dalam kombinasi dengan putaran primer. Untuk transformator arus tipe batang atau jendela standar yang primernya merupakan konduktor pass-through tunggal, jumlah lilitan primernya adalah 1. Belokan sekunder kemudian diatur untuk mencapai rasio yang diinginkan — misalnya, 200 lilitan untuk rasio 200:1 pada transformator 200 A / 1 A.

Gulungan didistribusikan secara merata di sekitar toroid untuk memastikan gaya gerak magnet seimbang dan meminimalkan fluks kebocoran. Keseragaman sangat penting dalam desain dengan akurasi tinggi di mana bahkan asimetri kecil dalam distribusi belitan dapat menyebabkan kesalahan sudut fasa yang dapat diukur.

Isolasi Antar Lapisan

Gulungan multi-lapis memerlukan isolasi antar-lapisan untuk mencegah kerusakan tegangan antar belitan pada potensial yang berbeda. Bahan isolasi antar lapisan yang umum meliputi:

• Pita film poliester (tipe Mylar) — digunakan pada CT tegangan rendah hingga menengah karena keseimbangan kekuatan dielektrik dan profil tipisnya
• Film polimida (tipe Kapton) — dipilih ketika suhu pengoperasian melebihi 130°C atau ketika isolasi yang sangat tipis diperlukan tanpa mengorbankan ketahanan tegangan
• Kertas Nomex — digunakan di lingkungan tipe kering dan bersuhu tinggi di mana bahan berbasis selulosa akan terdegradasi

Susunan Konduktor Primer pada Konstruksi Trafo Arus

Sisi primer transformator arus dapat disusun dalam beberapa cara yang berbeda, masing-masing menghasilkan jenis konstruksi mekanis yang berbeda. Ini adalah dasar utama untuk mengklasifikasikan CT berdasarkan desain fisik.

Konstruksi Trafo Arus Tipe Batang

Trafo arus tipe batang menggunakan konduktor primer tetap yang dipasang di pabrik — biasanya batangan tembaga atau aluminium — yang melewati bagian tengah rakitan inti dan belitan toroidal atau persegi panjang. Gulungan inti dan sekunder dienkapsulasi di sekitar batang ini. Konstruksi ini menawarkan kekakuan mekanis maksimum dan lebih disukai untuk instalasi switchgear dan busbar dengan peringkat arus primer berkisar antara 400 A hingga beberapa ribu ampere.

Karena bilah disetel dari pabrik, CT tipe bilah tidak dapat disesuaikan di lapangan. Nilai arus primer ditentukan di pabrik. Namun, bahan ini sangat stabil selama puluhan tahun digunakan karena tidak ada sambungan mekanis pada jalur utama yang dapat kendor atau menimbulkan korosi.

Konstruksi Trafo Arus Tipe Jendela

CT tipe jendela, kadang-kadang disebut transformator arus tipe cincin atau donat, terdiri dari inti toroidal yang dililitkan dengan kumparan sekunder dan ditutup dalam wadah yang memiliki bukaan tengah. Konduktor utama — kabel atau busbar apa pun yang membawa arus terukur — cukup dimasukkan melalui lubang ini pada saat pemasangan. Tidak ada sambungan listrik yang dibuat antara badan CT dan konduktor primer; transformator beroperasi murni dengan induksi.

Desain ini serbaguna karena model CT tunggal dapat dipasang pada konduktor dengan penampang yang berbeda-beda, selama konduktor tersebut dapat dipasang secara fisik melalui jendela. CT tipe jendela banyak digunakan pada papan panel, pemantauan kabel, dan perkuatan instalasi yang ada.

Konstruksi Trafo Arus Luka

Dalam transformator arus belitan, belitan primer terdiri dari satu atau lebih belitan konduktor tembaga berinsulasi yang dililitkan langsung ke inti di samping belitan sekunder. Pengaturan ini digunakan ketika arus primer relatif rendah — biasanya di bawah 100 A — dan konduktor satu jalur akan menghasilkan fluks yang tidak mencukupi untuk pengukuran yang akurat.

Dengan menambahkan dua, tiga, atau lebih putaran primer, rasio transformasi efektif dikalikan tanpa memerlukan inti fisik yang lebih besar. CT luka dengan 5 putaran primer dan 1.000 putaran sekunder mempunyai rasio efektif 1.000:5, atau 200:1, dengan 5 putaran primer menggerakkan fluks lebih besar untuk arus saluran yang sama dibandingkan dengan batang primer tunggal.

CT tipe luka biasanya lebih mahal daripada tipe batang atau jendela dengan nilai arus yang sama, karena proses penggulungan tambahan menambah tenaga kerja dan insulasi konduktor primer harus diberi nilai untuk tegangan saluran-ke-saluran penuh dari sistem.

Split Core Current Transformer: Konstruksi dan Aplikasi

Itu transformator arus inti terbagi memecahkan masalah praktis tertentu: cara memasang transformator arus pada konduktor yang tidak dapat dihilangkan energinya atau diputuskan. Inti magnetik dibagi menjadi dua bagian sepanjang sambungan mesin presisi. Mekanisme engsel atau kait menjaga bagian tetap tertutup selama pengoperasian dan memungkinkannya dipisahkan untuk pemasangan.

Ketika bagian inti terbuka, CT dapat ditempatkan di sekitar kabel aktif. Setelah ditutup dan dikunci, sirkuit magnetik selesai dan perangkat berfungsi identik dengan CT toroidal padat dengan dimensi setara.

Itu key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Pemesinan presisi pada permukaan kawin dengan toleransi di bawah 10 mikrometer
• Penggunaan material inti dengan permeabilitas tinggi yang lebih toleran terhadap celah sisa yang kecil
• Kait pegas yang menerapkan gaya penjepitan yang konsisten untuk menjaga bagiannya tetap terpasang dengan kuat
• Bahan inti nanokristalin atau amorf, yang mempertahankan kesalahan lebih rendah bahkan dengan penutupan yang sedikit tidak sempurna

CT inti terpisah banyak digunakan dalam audit energi, membangun sistem manajemen energi, memasang panel pemantauan daya, dan aplikasi apa pun yang memerlukan pemasangan tanpa mematikan sirkuit yang dipantau. Mereka tersedia dalam kelas akurasi dari Kelas 1 hingga Kelas 0,5 tergantung pada bahan inti dan kualitas sambungan.

Transformator Arus Toroidal: Mengapa Bentuk Cincin Mendominasi

Itu toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

Efisiensi Magnetik Inti Toroidal

Karena fluks magnet bersirkulasi seluruhnya di dalam material inti dalam desain toroidal, pada dasarnya tidak ada fluks yang lolos ke udara sekitarnya. Hal ini mempunyai dua konsekuensi praktis. Pertama, arus magnetisasi yang diperlukan untuk membentuk fluks kerja sangat rendah, yang secara langsung mengurangi kesalahan rasio dan perpindahan fasa. Kedua, CT toroidal kurang sensitif terhadap posisi konduktor utama di dalam jendela – sifat yang disebut kekebalan kesalahan posisi – dibandingkan dengan desain inti persegi panjang.

Dalam CT toroidal yang dirancang dengan baik, memindahkan konduktor utama dari tengah jendela ke posisi di luar pusat akan menimbulkan kesalahan rasio tambahan kurang dari 0,05%. Dalam CT inti persegi panjang, perpindahan yang sama dapat menimbulkan kesalahan melebihi 0,3%.

Pembuatan Inti Toroidal

Inti toroidal untuk transformator arus dibuat dengan salah satu dari tiga metode tergantung pada bahan target:

1. Inti yang dibalut pita — Strip kontinu dari baja silikon, paduan besi-nikel, atau pita nanokristalin dililitkan secara spiral di sekitar mandrel dan kemudian diberi perlakuan panas untuk menghilangkan tekanan mekanis yang timbul selama penggulungan. Metode ini digunakan untuk nilai akurasi tertinggi.
2. Inti laminasi bertumpuk — Laminasi berlubang individual ditumpuk dan disisipkan untuk membentuk cincin, biasanya digunakan untuk inti berdiameter lebih besar di mana gulungan pita akan menghasilkan tegangan internal yang berlebihan.
3. Inti ferit bubuk atau sinter — Digunakan untuk aplikasi frekuensi tinggi; ferit ditekan ke dalam cetakan toroidal dan disinter pada suhu tinggi.

Sistem Isolasi pada Transformator Arus

Insulasi CT harus menjalankan dua fungsi secara bersamaan: mengisolasi konduktor primer tegangan tinggi dari rangkaian sekunder tegangan rendah, dan melindungi belitan dan rakitan inti dari degradasi lingkungan. Sistem insulasi yang dipilih bergantung pada tegangan pengenal, lingkungan sekitar, dan persyaratan mekanis aplikasi.

Enkapsulasi Resin (Cetakan Epoksi atau Poliuretan)

Itu majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• Memberikan kekuatan dielektrik melebihi 3 kV/mm untuk sistem epoksi standar
• Menghilangkan masuknya kelembapan tanpa penyegelan tambahan
• Secara mekanis melindungi inti dan belitan dari getaran dan guncangan
• Memungkinkan kontrol dimensi yang tepat pada bodi eksternal untuk pemasangan panel

Impregnasi tekanan vakum (VPI) digunakan untuk rakitan yang lebih besar dimana pengecoran tidak praktis. Gulungan direndam dalam resin dalam kondisi vakum untuk menghilangkan udara yang terperangkap, kemudian diberi tekanan untuk memaksa resin masuk ke setiap rongga sebelum proses curing.

Isolasi Berisi Minyak

Transformator arus tegangan tinggi dengan tegangan di atas 36 kV biasanya menggunakan minyak mineral sebagai media isolasi dan pendingin utama. Inti luka dan rakitan sekunder ditempatkan di dalam tangki logam tertutup yang diisi dengan minyak mineral tingkat transformator. Insulasi kertas selulosa dililitkan di sekitar konduktor utama dalam beberapa lapisan, sehingga menambah jarak rambat yang diperlukan untuk menahan tegangan saluran.

CT berisi oli merupakan standar untuk instalasi 110 kV, 220 kV, dan 500 kV di gardu transmisi. Pengambilan sampel oli secara teratur dan analisis gas terlarut memungkinkan tim pemeliharaan mendeteksi degradasi insulasi yang baru terjadi sebelum kegagalan terjadi.

Transformator Arus Terisolasi Gas

Pada instalasi gas-insulated switchgear (GIS), trafo arus diintegrasikan ke dalam enclosure GIS dan menggunakan gas sulfur hexafluoride (SF6) sebagai media isolasi. CT ini memiliki ukuran kompak yang sama dengan switchgear di sekitarnya dan tidak memerlukan perawatan cairan, meskipun sistem gas yang tersegel harus dipantau tekanan dan kemurniannya.

Desain Tipe Kering dan Berinsulasi Udara

Untuk instalasi dalam ruangan di lingkungan terkendali dengan tegangan hingga sekitar 36 kV, CT tipe kering menggunakan bahan insulasi padat (fiberglass berikat resin, resin cor, atau Nomex) menawarkan alternatif terhadap desain berisi minyak. Produk ini lebih ringan, menghilangkan risiko tumpahan minyak, dan menyederhanakan perawatan, namun lebih sensitif terhadap kondensasi dan polusi jika digunakan di lingkungan luar ruangan yang keras.

Klasifikasi Transformator Arus Berdasarkan Jenis Konstruksi

Itu following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

Bagaimana Konstruksi Internal Mempengaruhi Akurasi dan Kinerja

Memilih trafo arus yang tepat bukan sekadar masalah mencocokkan rasio arus. Konstruksi internal menentukan bagaimana CT berperilaku dalam rentang operasinya, dalam variasi beban, pada suhu tinggi, dan dengan adanya harmonisa.

Kesalahan Rasio dan Asal Usulnya

Kesalahan rasio muncul karena arus magnetisasi — arus yang diperlukan untuk membentuk fluks pada inti — tidak muncul pada keluaran sekunder. Semua arus magnetisasi diambil dari arus primer tetapi tidak ada satupun yang mencapai beban. Semakin besar arus magnetisasi relatif terhadap arus primer, semakin besar kesalahan rasionya. Inti besi-nikel dan inti nanokristalin, dengan permeabilitasnya yang sangat tinggi, memerlukan arus magnetisasi yang jauh lebih sedikit dibandingkan inti baja silikon dan oleh karena itu mencapai kesalahan rasio yang lebih rendah pada penampang inti yang sama.

Kesalahan Perpindahan Fase

Perpindahan fasa adalah perbedaan sudut, diukur dalam menit busur, antara fasor arus primer dan fasor arus sekunder (terbalik arahnya). Perpindahan fasa sangat penting dalam pengukuran faktor daya dan energi karena kesalahan sudut yang kecil sekalipun akan menimbulkan kesalahan yang bergantung pada kosinus dalam perhitungan watt-jam. Perpindahan fasa selama 10 menit pada beban dengan faktor daya 0,5 dapat menghasilkan kesalahan pengukuran energi sekitar 0,5%.

Beban dan Pengaruhnya terhadap Akurasi

Itu secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Pertunjukan Harmonis

Dalam instalasi penggerak kecepatan variabel, tungku busur, dan sistem tenaga pusat data, arus primer mengandung konten harmonik yang signifikan — sering kali pada harmonik ke-5, ke-7, ke-11, dan ke-13. Inti baja silikon standar menunjukkan peningkatan kerugian dan distorsi sudut fasa pada frekuensi harmonis. Inti nanokristalin dan amorf, dengan kurva permeabilitas datar yang memanjang hingga beberapa kilohertz, memberikan akurasi yang jauh lebih baik pada bentuk gelombang terdistorsi dan merupakan pilihan yang lebih disukai untuk penganalisis kualitas daya kelas A.

Konfigurasi Perumahan Luar dan Pemasangan

Itu enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Perumahan Kotak Cetakan yang Dipasang di Panel

CT tegangan rendah untuk panel pengukur hampir secara universal diproduksi dalam wadah poliester yang diperkuat serat kaca (GRP) atau polikarbonat yang dibentuk dengan cetakan injeksi di sekitar rakitan inti resin tuang. Perumahan ini mengintegrasikan lug pemasangan atau klip rel DIN, blok terminal sekunder yang diberi peringkat untuk arus keluaran yang diharapkan, dan tanda polaritas (P1/P2 untuk primer, S1/S2 untuk sekunder) sesuai standar IEC.

Transformator Arus Tipe Bushing

CT Bushing adalah rakitan berbentuk cincin yang dirancang untuk meluncur di atas bushing porselen atau polimer dari transformator daya atau pemutus sirkuit. Mereka tidak mempunyai tempat tinggal sendiri; sebagai gantinya, mereka dijepit di antara flensa selongsong dan penutup tangki transformator. CT Bushing adalah beberapa desain yang paling kompak, karena bushing itu sendiri menyediakan konduktor utama dan isolasi tegangan.

Desain Porselen dan Polimer Luar Ruangan

Transformator arus luar ruangan tegangan menengah dan tinggi ditempatkan dalam rakitan tertutup dengan gudang isolator komposit porselen atau karet silikon. Profil gudang dirancang untuk menjaga jarak rambat yang memadai dalam kondisi polusi — standar IEC mensyaratkan rambat minimum 16 mm/kV untuk lingkungan dengan polusi ringan dan hingga 31 mm/kV untuk lokasi dengan polusi berat. Rumah komposit karet silikon sebagian besar telah menggantikan porselen dalam instalasi baru karena bobotnya yang lebih ringan, kinerja polusi yang unggul di lingkungan yang terkontaminasi, dan ketahanan terhadap patah getas.

Mengintegrasikan Transformator Saat Ini ke dalam Sistem Pengukuran

Sistem pengukuran arus yang lengkap melibatkan CT, kabel interkoneksi, dan instrumen penerima. Itu transformator arus inti terbagi sering kali menjadi pilihan utama dalam proyek pengukuran retrofit karena alasan ini — meteran ini dapat dipasang tanpa mengganggu layanan. Setelah dipasang, CT sekunder terhubung ke pengukur energi, penganalisis daya, atau relai proteksi melalui sirkuit CT khusus, yang harus selalu ditutup selama pengoperasian untuk menghindari kondisi tegangan lebih sekunder yang berbahaya.

Standar Akurasi dan Penunjukan Kelas

Kelas akurasi transformator arus ditentukan oleh standar internasional dan regional. Dua yang paling banyak dirujuk adalah IEC 61869-2 (sebelumnya IEC 60044-1) dan IEEE C57.13. Memahami penunjukan kelas membantu dalam menentukan CT yang tepat untuk aplikasi.

Kelas Pengukuran IEC

IEC 61869-2 mendefinisikan kelas akurasi pengukuran sebagai 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1, dan 3. Akhiran "S" (khusus) menunjukkan akurasi yang diperluas pada arus rendah — khususnya, CT harus memenuhi spesifikasi kesalahan rasio hingga 1% dari arus pengenal, bukan standar 5%. Kelas 0,5S dan 0,2S diperlukan untuk pengukur energi tingkat pendapatan berdasarkan banyak kerangka peraturan, karena beban sering kali beroperasi jauh di bawah 100% arus primer terukur CT.

Kelas Perlindungan IEC

CT kelas perlindungan ditentukan berdasarkan faktor batas akurasi (ALF) dan perilaku titik lututnya. Kelas 5P dan 10P adalah sebutan standar, di mana angka tersebut menunjukkan kesalahan komposit maksimum pada faktor batas akurasi terukur. CT 5P20 mempertahankan kesalahan gabungan tidak melebihi 5% ketika arus primer 20 kali arus pengenal — kondisi yang diperlukan untuk pengoperasian relai arus lebih yang andal selama kondisi gangguan.

Kelas IEEE

Itu IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

Pertanyaan yang Sering Diajukan