1

ZABEZPIECZENIA

ELEKTROENERGETYCZNE

Prowadzący
dr hab. inż. W. Korniluk, prof. PB

Wykład 2

2

2. Elementy składowe EAZ

2.1. Przekładniki prądowe zabezpieczeniowe

Przekładniki prądowe zabezpieczeniowe wykonuje się jako główne
i pomocnicze.
Przekładniki prądowe główne są elementem pośredniczącym między
urządzeniami pierwotnymi rozdzielni a urządzeniami zabezpieczającymi.

Zastosowanie przekładników głównych daje następujące korzyści:

 oddzielenie galwaniczne obwodów wysokiego napięcia od obwodów
i części
dostępnych dla dotyku,

 możność przetworzenia prądu z wartości ruchowych na wartości
najbardziej odpowiednie do celów pomiarowych i
zabezpieczeniowych,

 możność ograniczenia liczby znormalizowanych prądów i napięć po
stronie
wtórnej,

 umieszczenia przekaźników w odpowiednim pomieszczeniu,

 ograniczenia prądów zwarciowych po stronie wtórnej przekładników
prądowych.

3

Przekładniki prądowe zabezpieczeniowe

Przekładniki prądowe pomocnicze służą do uzyskania
odpowiedniego

przesunięcia

fazowego,

wyrównania

przekładni,

ograniczania wartości prądów wtórnych przy zwarciach i uzyskania prądu,
który jest kombinacją prądów fazowych.
Do przekładników prądowych pomocniczych zalicza się przekładniki
prądowe [1]:

 pośredniczące - charakteryzują się przekładnią znormalizowaną i
służą
w zasadzie do transformowania prądów o większej wartości na
prądy
o mniejszej wartości;



wyrównawcze

–

występują

zazwyczaj

w

wykonaniu

autotransformatorowym i
są wyposażone w zaczepy służące do skokowej zmiany przekładni,
nadają
się one również do dwukierunkowej transformacji prądów;

 nasyceniowe – są to przekładniki prądowe, w których nasycenie
rdzenia
występuje już przy niewielkich przewężeniach, dzięki czemu
ograniczane są
prądy zwarciowe i spełniają rolę filtru zatrzymującego składową
nieokresową
prądu

 sumowniki prądowe – służą do zastąpienia układu trójfazowego
prądów
fazowych zastępczym prądem jednofazowym i mają na celu
uproszczenie
układu zabezpieczeniowego.

4

Zasada działania przekładników prądowych konwencjonalnych

Uzwojenie pierwotne przekładnika łączy się w szereg z innymi
urządzeniami w torze prądowym pierwotnym (rys.2.1).

Rys.2.1. Zasada działania przekładnika prądowego. Oznaczenia w tekście

5

Zasada działania przekładników prądowych konwencjonalnych

Prąd w obwodzie pierwotnym i

1

nie zależy zupełnie od parametrów i

stanu obciążenia Z

obc

strony wtórnej przekładnika.

Przepływy strony pierwotnej I

1

w

1

i wtórnej I

2

w

2

wywołują strumienie

magnetyczne skojarzone z uzwojeniami. Można wyróżnić strumień Φ

μ

zamykający się w rdzeniu magnetycznym, wspólny dla obydwu uzwojeń,
oraz strumienie rozproszenia Φ

1r

oraz Φ

2r

przenikające wyłącznie przez

uzwojenia odpowiednio w

1

i w

2

.

Rys.2.2. Uproszczony schemat zastępczy przekładnika prądowego.

Oznaczenia w tekście

6

Zasada działania przekładników prądowych konwencjonalnych

Na rys.2.2 przedstawiono uproszczony zastępczy schemat elektryczny
przekładnika prądowego. Indukcyjność L

μ

jest związana ze strumieniem Φ

μ

zamykającym się przez rdzeń ferromagnetyczny, sprzężonym z
obydwoma uzwojeniami. Rezystancja R

Fe

odwzorowuje straty w rdzeniu

spowodowane prądami wirowymi i przemagnesowaniem (pętla histerezy).
Rezystancje R

1

` i R

2

są rezystancjami uzwojeń strony pierwotnej i wtórnej.

Indukcyjności L

1

` oraz L

2

odwzorowują istnienie strumieni rozproszenia Φ

1r

i Φ

2r

, sprzężonych tylko z jednym z uzwojeń.

Wykres wektorowy prądów i napięć przekładnika prądowego
przedstawiono na rys.2.3. W uzwojeniu wtórnym płynie prąd I

2

, który

wywołuje spadki napięć na impedancji obciążenia (Z

obc

=R

obc

+jX

obc

) oraz na

impedancji uzwojeń strony wtórnej (Z

2

=R

2

+jX

2

). Suma spadków napięć

jest równa sile elektromotorycznej E

2

=U

μ

. Jest to napięcie opóźnione o π/2

względem strumienia Φ

μ

, który je indukuje i jest zgodny z prądem

magnesującym I

μ

. Suma prądu gałęzi poprzecznej I

0

oraz prądu wtórnego

I

2

o zmiennym znaku (przepływ strony wtórnej I

2

w

2

działa bowiem

rozmagnesowująco) daje prąd pierwotny I

1

` „sprowadzony” na stronę

wtórną.

7

Zasada działania przekładników prądowych konwencjonalnych

Rys.3.4. Wykres wektorowy przekładnika prądowego. Oznaczenia w tekście

Siła elektromagnetyczna E

2

jest wywołana przez strumień

magnetyczny Φ

μ

obejmujący uzwojenie wtórne przekładnika. Do

wytworzenia tego strumienia niezbędne jest odpowiednie natężenie pola
magnetycznego H oraz przepływ I

0

w

1

.

8

Zasada działania przekładników prądowych konwencjonalnych

Przy zwartej przez impedancję obciążenia Z

obc

stronie wtórnej

przekładnika siła elektromotoryczna E

2

jest stosunkowo niewielka.

Niewielki jest również strumień Φ

μ

niezbędny do jej wytworzenia. W

konsekwencji

również

prąd

I

0

,

w porównaniu z prądem I

1

jest mały, szczególnie dla przekładników

zbudowanych z bardzo dobrych materiałów ferromagnetycznych (duże
wartości μ

r

). Uwzględniając rozmagnesowujące działanie przepływu

strony wtórnej i przy założeniu , otrzymuje się zależność [3]:

2

2

1

1

w

I

w

I



(2.1)

dla znamionowego prądu pierwotnego I

1

=I

pN

oraz wtórnego I

2

=I

sN

1

2

w

w

I

I

K

sN

pN

N





(2.2)

gdzie K

N

– przekładnia (zwojowa) przekładnika prądowego.

9

Błędy transformacji

Na podstawie analizy wykresu wektorowego przekładnika (rys.2.3)
można

napisać

następujące

zależności

charakteryzujące

błędy

transformacji:



cos

'

0

2

1

I

I

I

I



























sin

arcsin

1

0

I

I

(2.3)

(2.4)

gdzie

.

2w













I



i



c



 prądowego ,

 kątowego ,

 całkowitego .

W praktyce poprawność transformacji określa się za pomocą błędów:

Błąd prądowy jest definiowany zależnością

100

1

1

2

%









I

I

K

I

I

N

(2.5)

10

Błędy transformacji

i



Błąd kątowy

jest to kąt między odwróconym wektorem prądu

wtórnego i

2

, a wektorem prądu i

1

i jest przedstawiony następującym

wzorem

:

1

2

0

1

2

cos

arcsin

arg

I

I

I

I

i









(2.6)

Błąd całkowity, charakterystyczny w przekładnikach prądowych
zabezpieczeniowych,

jest

wartością

skuteczną

różnicy

wartości

chwilowych: prądu wtórnego i

2

przemnożonego przez przekładnię oraz

prądu pierwotnego i

1

. Wyraża się on następującym wzorem:







T

N

c

dt

i

K

i

T

I

0

2

1

2

1

)

(

1

100



(2.7)

Błąd prądowy zależy od parametrów konstrukcyjnych i materiałów
przekładnika, oraz od:

 wartości prądu pierwotnego,
 obciążenia (impedancji) strony wtórnej Z

2w

,

 argumentu impedancji strony wtórnej (kątów ).

w

obc

2

2

,

,

,











11

Błędy transformacji

Obciążenie znamionowe przekładnika definiowane jest jako
impedancja obciążenia (przy określonym współczynniku mocy i
znamionowym prądzie wtórnym), przy której przekładnik transformuje
prąd z błędami dopuszczalnymi dla danej klasy. Najczęściej zamiast
impedancją obciążenia operuje się mocą znamionową, którą wyraża się
wzorem:

n

n

n

Z

I

S

2

2

2

2



(2.8)

w którym: - moc znamionowa w VA;
- znamionowa impedancja obciążenia w Ω;
- znamionowy prąd wtórny w A.

n

S

2

n

Z

2

2

2n

I

12

Błędy transformacji

Rys.2.4. Zależność błędu całkowitego przekładnika prądowego od

wartości skutecznej prądu pierwotnego

Rys.2.5. Zależność błędu całkowitego przekładnika prądowego od

impedancji obciążenia

13

Błędy transformacji

Duże prądy przeciążeniowe lub zwarciowe powodują nasycenie się
rdzenia i zwiększenie błędu prądowego.
Przy obciążeniu uzwojenia wtórnego przekładnika, strumień
magnetyczny w jego rdzeniu jest nieduży, natomiast w przypadku
przerwy w obwodzie wtórnym osiąga on bardzo duże wartości. W skutek
dużych strat w żelazie może powodować przegrzanie i zniszczenie
izolacji, zaś indukujące się w obwodzie wtórnym wysokie napięcie (do
kilkunastu kilowoltów) może stwarzać zagrożenie dla personelu i izolacji.

Przekładniki prądowe mogą posiadać różną liczbę uzwojeń
pierwotnych i wtórnych (tab.2.1)

Typowe konstrukcje przekładników prądowych

14

Typowe konstrukcje przekładników prądowych

Tabela 2.1. Schematyczne oznaczenie przekładników prądowych

5

100

5

200

100

2

1

1000



5

5

1000

Rodzaj przekładnika

Oznaczenia zacisków

Przykładowa przekładnia

Przekładnik
jednoprzekładniowy

Przekładnik z
zaczepem w
uzwojeniu wtórnym

Przekładnik z
uzwojeniem
pierwotnym o dwu
sekcjach do łączenia
szeregowego lub
równoległego

Przekładnik z dwoma
uzwojeniami
wtórnymi, każde na
własnym rdzeniu

15

Typowe konstrukcje przekładników prądowych

Oznaczenie zacisków:
P1 – P2, C1 – C2

- zaciski uzwojeń pierwotnych,

S1 – S2, S1 – S2 – S3 - zaciski uzwojeń wtórnych,
1S1 – 1S2, 2S1 – 2S2 - zaciski dwóch separowanych uzwojeń
wtórnych.

Izolacje przekładników prądowych

Podczas przerwania obwodu wtórnego cały prąd pierwotny staje się
prądem magnesującym.
Przerwanie obwodu wtórnego podczas pracy przekładnika prądowego
grozi niebezpieczeństwem porażenia obsługi, przebicia izolacji
międzyzwojowej oraz uszkodzenia cieplnego izolacji uzwojeń na skutek
nadmiernego nagrzewania rdzenia spowodo wanego wzrostem strat na
histerezę i prądy wirowe.
Przy dużym obciążeniu przekładnika, na jego zaciskach wtórnych
powstaje

znaczne

napięcie

naprężające

izolację

szeregową,

międzyzwojową, międzywarstwową i między zaciskami. Podobnie, lecz
proporcjonalnie niższym napięciem, jest naprężana izolacja szeregowa
uzwojenia pierwotnego, gdzie cięższe warunki pracy występują wówczas,
gdy przekładnik jest zbudowany na małe prądy znamionowe.

16

Praca przekładników prądowych przy przetężeniach

Od przekładników prądowych przeznaczonych do współpracy z
zabezpieczeniami wymaga się, aby zabezpieczenia pracowały prawidłowo
przy zwarciach, a więc transformacja prądów wielokrotnie większych od
prądu znamionowego powinna być poprawna. Zakres prądu pierwotnego,
przy którym transformację można za taką uważać, wyznacza znamionowy
graniczny prąd pierwotny (I

1G

). Jest to największa wartość prądu

pierwotnego I

1G

, przy którym błąd całkowity przekładnika obciążonego

znamionowo

osiąga

wartość

określoną

w normie dla przekładników danej klasy.

Współczynnik dokładności silnie zależy od wartości impedancji

. Można w przybliżeniu przyjąć, że współczynnik K

G

jest

odwrotnie proporcjonalny do impedancji Z

w

, czyli

n

G

G

I

F

K

1

1



obc

z

w

Z

Z

Z



















1

2

2

1

w

w

G

G

Z

Z

K

K

(2.9)

gdzie K

G1

, K

G2

– współczynniki graniczne dokładności przy impedancji

odpowiednio Z

w1

oraz Z

w2

.

17

Praca przekładników prądowych przy przetężeniach

Istotny wpływ na wartość K

G

przy zadanej wartości mocy na obciążeniu

przekładnika, ma przekrój rdzenia magnetycznego.
Aby zapewnić transformację w dużym zakresie prądów należy stosować
rdzeń o znacznym przekroju.

Praca przekładników prądowych w stanach nieustalonych

Stan nieustalony jest to stan, gdy w przebiegach prądów, napięć i
strumieni pojawiają się składowe swobodne, wywołane nagłą zmianą
prądu pierwotnego.
Większość układów zabezpieczeniowych wymaga dokładnej
transformacji prądu w stanach nieustalonych.
Zabezpieczenia muszą dokonać szybkiego i dokładnego pomiaru
lokalizującego miejsce zwarcia.

18

Charakterystyczną cechą stanu nieustalonego w
przekładnikach jest pojawienie się składowej nieokresowej
strumienia magnetycznego o znacznej wartości. Należy przy tym
zauważyć, że wartość tej składowej zależy w zasadniczy sposób od
czynników przypadkowych, a mianowicie:

 indukcji szczątkowej i związanego z nią strumienia;

 zawartości w prądzie pierwotnym składowej nieokresowej, która zależy
od chwili,
w której powstało zwarcie.

Podatność przekładników prądowych na nasycenie w stanie
nieustalonym jest czynnikiem ograniczającym poprawność pracy
zabezpieczeń elektroenergetycznych. Dzieje się tak dlatego, że
nasyceniu rdzenia towarzyszą znaczne błędy transformacji, a więc do
zabezpieczeń

dociera

błędna

informacja

o wartościach prądu pierwotnego.

Praca przekładników prądowych w stanach nieustalonych

19

Wymagania stawiane zabezpieczeniowym przekładnikom prądowym

Wymagania stawiane zabezpieczeniowym przekładnikom prądowym
są określone w krajowych normach:

 PN-EN 60044-1 : maj 2000 – Przekładniki prądowe;

 PN-EN 60044-6 : maj 2000 – Przekładniki – wymagania dotyczące

przekładników prądowych do zabezpieczeń w stanach
przejściowych.

Znormalizowane wartości prądów pierwotnych (I

pn

)

Znormalizowanymi wartościami znamionowych prądów pierwotnych
przekładników prądowych są wartości: 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 40; 50;
60; 75A oraz ich dziesiętne wielokrotności i podwielokrotności. Wartości
napisane pogrubioną czcionką są wartościami zalecanymi.

Znormalizowane wartości prądów wtórnych(I

sn

)

Znormalizowanymi wartościami znamionowych prądów wtórnych
przekładników prądowych są wartości: 1; 2; 5A , a wartością zalecaną jest
5A.

20

Znamionowy długotrwały prąd cieplny

Jeżeli nie określono inaczej, to znamionowym długotrwałym
prądem cieplnym przekładników prądowych jest znamionowy
prąd pierwotny.
Przekładniki o klasach dokładności 0,1-0,2-0,5-1 mogą być
oznaczone jako przekładniki o rozszerzonym zakresie prądowym,
jeżeli spełniają następujące wymagania:

 znamionowy długotrwały prąd cieplny jest równy prądowi
pierwotnemu
rozszerzonego zakresu prądowego i jest wyrażony w procentach
znamionowego prądu pierwotnego,

 wartości graniczne błędów prądowego i kątowego określone w
normie dla
100% znamionowego prądu pierwotnego są zachowane również
przy wartości
prądu pierwotnego rozszerzonego zakresu prądowego.

Znormalizowanymi procentowymi wartościami prądu pierwotnego
rozszerzonego zakresu są: 120%, 150% i 200% (znamionowego prądu
pierwotnego).

21

Znormalizowane wartości mocy znamionowych

Jest to wartość mocy pozornej w woltoamperach, przy określonym
współczynniku mocy, którą przekładnik jest zdolny zasilać obwód wtórny
przy znamionowym prądzie wtórnym i znamionowym obciążeniu.
Znormalizowanymi wartościami mocy znamionowych są: 2,5; 5,0; 10;
15 i 30 VA. Wartości większe od 30 VA mogą być stosowane odpowiednio
do potrzeby.
Jako znamionowy współczynnik mocy obciążenia (cos

)

przyjmuje
się wartość 0.8 (ind.).

Znamionowy krótkotrwały prąd cieplny (I

th

)

Jest to wartość skuteczna symetrycznego (ustalonego) prądu
pierwotnego,

którą

przekładnik

prądowy

ze

zwartymi

uzwojeniami wtórnymi powinien wytrzymać bez uszkodzenia w
ciągu jednej sekundy. Znamionowy krótkotrwały prąd cieplny I

th

określany jest jako wielokrotność znamionowego prądu pierwotnego
przekładnika np: I

th

=100x Ipn, I

th

=200x Ipn, I

th

=500x I

pn

, idt.

Wartość tego prądu nie może być większa od wytrzymałości cieplnej
zacisków pierwotnych I

th

max wyrażonej w kilo amperach

22

Znamionowy prąd dynamiczny (I

dyn

)

Wartość znamionowego prądu dynamicznego (I

dyn

) powinna być

normalnie 2,5 razy większa od znamionowego krótkotrwałego
prądu cieplnego (I

th

) i powinna być podana na tabliczce znamionowej,

gdy jest inna od tej wartości.

Dopuszczalne przyrosty temperatury

Przyrost temperatury przekładnika prądowego podczas przepływu
prądu pierwotnego równego znamionowemu długo trwałemu prądowi
cieplnemu, przy obciążeniu znamionowym o współczynniku mocy
równym

jedności,

nie powinien przekraczać odpowiedniej wartości.

Obciążenie przekładnika

Jest to impedancja obwodu wtórnego przekładnika prądowego
wyrażona w omach, przy określonym współczynniku mocy.
Obciążenie to jest zwykle określane jako moc pozorna wyrażona w
woltoamperach, pobierana przy określonym współczynniku mocy i przy
znamionowym prądzie wtórnym.

23

Napięcie probiercze izolacji

Izolacja uzwojeń wtórnych przekładników prądowych powinna
wytrzymać w ciągu 1 minuty napięcie probiercze o częstotliwości
sieciowej i wartości skutecznej 3 kV.
Napięcie probiercze izolacji międzyzwojowej powinno wytrzymać w
ciągu 1 minuty przepięcie o wartości maksymalnej 4,5 kV występujące na
zaciskach kompletnego uzwojenia wtórnego.

Współczynnik graniczny dokładności (ALF)

Współczynnik graniczny dokładności oznacza się przez ALF (jęz. ang.:
Accuracy Limit Factor).
Znormalizowanymi wartościami współczynnika ALF są: 5-10-15-20-30.
W przekładnikach rozdzielnic wnętrzowych średnich napięć, najczęściej
stoso wane są współczynniki ALF=10 lub 15. Liczbę oznaczającą
współczynnik gra niczny dokładności umieszcza się bezpośrednio po literze
P oznaczenia klasy dokładności przekładnika do zabezpieczeń, np. 5P10.

Klasy dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń

Klasa dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń
jest oznaczona przez największy dopuszczalny błąd całkowity
wyrażony w procentach, przy znamionowym granicznym prądzie
pierwotnym (iloczyn znamionowego prądu pierwotnego przez ALF) dla
danej klasy dokładności, poprzedzający literę P. Znormalizowanymi
wartościami

klas

dokładności

przekładników

prądowych

zabezpieczeniowych są: 5P i 10P (tab.2.3).

24

Klasy dokładności przekładników prądowych do zabezpieczeń

Tabela 2.3 Wartości graniczne błędów przekładników prądowych do zabezpieczeń

i



Klasa

dokładności

Błąd prądowy ΔI

przy

znamionowym

prądzie

pierwotnym,

%

Błąd kątowy



i

przy

znamionowym prądzie

pierwotnym

Błąd całkowity ε

c

przy znamionowym

prądzie granicznym

pierwotnym

%

minuty

centyradiany

5P

 1

 60

 1.8

5

10P

 3

---

---

10

W próbie, w której określany jest błąd prądowy i kątowy, obciążenie
powinno mieć współczynnik mocy 0,8 indukcyjny, z wyjątkiem, gdy
obciążenie jest mniejsze niż 5 VA, dla którego dopuszczalne jest
stosowanie obciążenia o współczynniku mocy równym jedności.

Przy określaniu błędu całkowitego obciążenie powinno mieć
współczynnik mocy między 0,8 indukcyjnym, a równym jedności według
uznania wytwórcy.

25

Kryteria doboru przekładników prądowych do zabezpieczeń

Przekładniki prądowe powinny spełniać następujące kryteria:



znamionowe napięcie izolacji przekładnika powinno być nie mniejsze od

znamionowego napięcia pierwotnego układu elektroenergetycznego;

 znamionowy prąd pierwotny przekładnika prądowego powinien być
dostosowany do znamionowego prądu urządzenia pierwotnego;

 znamionowy prąd wtórny przekładnika prądowego powinien być równy
znamionowemu prądowi przekaźników przyłączonych po stronie wtórnej,

wynoszącemu przeważnie 5A (wyjątkowo 1A lub 2A);

 największa spodziewana wartość szczytowa prądu pierwotnego w
nieustalonych stanach zwarciowych powinna być mniejsza od wartości
określającej wytrzymałość dynamiczną przekładnika.

 największa wartość skuteczna składowej okresowej tego prądu
zwarciowego
powinna być mniejsza od wartości określającej wytrzymałość cieplną,
przeliczonej na rzeczywisty czas przepływu prądu zwarciowego;

 znamionowy prąd szczytowy przekładnika prądowego powinien być co
najmniej
równy udarowemu prądowi zwarciowemu w punkcie zainstalowania tego
przekładnika;

 moc znamionowa przekładnika prądowego powinna być nie mniejsza niż
całkowita moc pobierana przez przyrządy przyłączone do obwodów
wtórnych,
przy przepływie przez te obwody prądu znamionowego;

 klasa dokładności i graniczny współczynnik dokładności przekładnika
powinna
być taka aby zapewnione było poprawne działanie zabezpieczenia.

26

Typowe układy połączeń przekładników prądowych

Typowe schematy układów połączeń przekładników prądowych
stosowanych w elektroenergetyce są przedstawione na rysunkach 2.7 –
2.10.
Rys.2.7. Schemat połączeń układu: a) do pomiaru prądu jednej fazy, przy
założeniu symetrii prądów w trzech fazach, b) do pomiaru trzech prądów
fazowych przy użyciu dwóch przekładników

27

Rys.2.8. Schemat połączeń układu: a) do pomiaru różnicy prądów w
dwóch

fazach,

przy założeniu symetrii prądów w trzech fazach; b) do pomiaru zarówno
prądów fazowych, jak i potrójnej składowej zerowej tych prądów

Typowe układy połączeń przekładników prądowych

28

Typowe układy połączeń przekładników prądowych

Rys.2.9.

Schemat

połączeń

trójfazowego

różnicowego

układu

przekładników stosowanego do zabezpieczania generatorów

29

Rys.2.10. Schemat połączeń układu różnicowego przekładników
stosowanego
do zabezpieczenia transformatora o grupie połączeń trójkąt/gwiazda

Typowe układy połączeń przekładników prądowych

30

Specjalne konstrukcje i niekonwencjonalne rozwiązania

przekładników prądowych

Do specjalnych konstrukcji przekładników prądowych do których zaliczane są :

 transreaktor,

 przekładniki kaskadowe,

 przekładniki z sumowaniem magnetycznym (Ferrantiego),

 przekładnik z pomocniczym źródłem zasilania,

 przekładnik oparty na zjawisku Faradaya (magnetooptyczny),

 przekładniki różniczkująco – całkujące.

Transreaktor

Transreaktor przekształca prąd pierwotny na proporcjonalne doń
napięcie

dzięki

temu,

że

nie

ma

zamkniętego

rdzenia

ferromagnetycznego (rys.2.11).
Schemat zastępczy transreaktora pokazano na rys.2.11, a jest on
identyczny ze schematem przekładnika prądowego przy pominięciu
rezystancji strat w żelazie.
Transreaktory bywają niezbędne w niektórych układach automatyki
zabezpieczeniowej, utrzymują bowiem stałą dokładność transformacji
składowej okresowej prądu pierwotnego.

31

Transreaktor

Rys.2.11.Rdzeń przekładnika prądowego (transreaktor) ze szczelinami w
obwodzie magnetycznym

32

Przekładniki kaskadowe

Przy produkcji przekładników na najwyższe napięcia (500 kV,
750 kV, 1150 kV) trudności w wykonaniu izolacji między uzwojeniem
pierwotnym i wtórnym stają się ogromne.
Z technologicznego punktu widzenia korzystne jest podzielenie tej
izolacji — a zarazem całego przekładnika — na stopnie połączone w
szereg, kaskadowo. Taka konstrukcja sprowadza się do szeregowego
połączenia przekładników prądowych: pierwszy transformuje prąd z
poziomu napięcia strony pierwotnej na poziom pośredni, drugi z tego
stopnia pośredniego na stronę wtórną (rys.2.12).

Błędy prądowe i kątowe przekładnika kaskadowego są sumą
błędów każdego stopnia transformacji. Natomiast błędy całkowite
nie podlegają algebraicznemu sumowaniu i trzeba je wyznaczyć z
wykresu wektorowego.
Skonstruowanie przekładnika kaskadowego o małych błędach przy
prądzie znamionowym z jednej strony i nienasycającego się w stanach
nieustalonych z drugiej strony jest zadaniem szczególnie trudnym.

33

Rys.2.12. Zasada działania kaskadowego przekładnika prądowego.
i

1

– prąd pierwotny, i

p

– prąd obwodu (stopnia) pośredniego, i

2

– prądy

wtórne

Przekładniki kaskadowe

34

Przekładniki z sumowaniem magnetycznym (Ferrantiego)

Do grupy przekładników z sumowaniem magnetycznym należą
przekładniki Ferrantiego służące do pomiaru składowej zerowej prądu
trójfazowego. Dzięki sumowaniu magnetycznemu (rys.2.14a) uzyskuje się
znacznie większą dokładność niż przez odpowiednie łączenie (sumowanie
elektryczne)

uzwojeń

wtórnych

przekładników

fazowych

(układ

Holmgreena rys.2.14b).

Rys.2.14. Pomiar prądu składowej zerowej: a) przekładnik z sumowaniem

magnetycznym (Ferrantiego); b) układ Holmgreena

35

Przekładniki Ferrantiego stosuje się wówczas, gdy należy wykrywać
bardzo małe prądy składowej zerowej, często o dwa, trzy rzędy wielkości
mniejsze niż prądy znamionowe poszczególnych faz. Błędy przekładników
w układzie Holmgreena nie umożliwiają popraw nego wykrywania tak
małych prądów. Przekładnik Ferrantiego składa się z uzwojenia na
toroidalnym rdzeniu magnetycznym wykonywanym z dobrego materiału
ferromagnetycznego. Ważne jest, aby przenikalność magnetyczna rdzenia
przy bardzo małych indukcjach była możliwie jak największa.

Przekładniki z sumowaniem magnetycznym (Ferrantiego)

Istotne jest również uzyskanie jak największej mocy na impedancji
obciążenia. Impedancję Z

b

często dobiera się w taki sposób, aby była

równa impedancji magnesowania przekładnika, mierzonej od strony
zacisków wtórnych przy napięciu zadziałania zabezpieczenia. Przekładniki
Ferrantiego starannie wykonane umożliwiają wykrywanie prądów
ziemnozwarciowych 3I

0

będących ułamkiem ampera.

Przeważająca większość przekładników jest wykonywana w wersji
kablowej, tzn. do nakładania na kabel. Wykonuje się także przekładniki
Ferrantiego nakładane bezpośrednio na przewody szynowe.

36

Przekładnik prądowy z pomocniczym źródłem zasilania

Zasada działania takiego przekładnika prądowego polega na
przekształcaniu wielkości elektrycznych na sygnały świetlne i odwrotnie
(rys.2.15).
Prąd z uzwojenia wtórnego przekładnika konwencjonalnego PP1
zostaje przetworzony w modulatorze 1 na sygnał napięciowy którego
szerokość lub częstotliwość jest proporcjonalna do wartości prądu
pierwotnego I

1

.

Sygnały napięciowy zostaje wzmocniony, a następnie w diodzie
świecącej (LED) 3 przetworzony na sygnały świetlne przesyłane
przewodem światłowodowym 4 do fotodiody 5.
Za pomocą fotodiody 5 sygnały świetlne są ponownie przetwarzane na
sygnał napięciowy o wartości proporcjonalnej do szerokości lub
częstotliwości impulsów i przekształcone w demodulatorze 6 na napięcie
przemienne o przebiegu sinusoidalnym.
Kolejne przekształcenia wielkości elektrycznych na sygnały świetlne
i odwrotnie powodują, że w napięciu przemiennym występują
odkształcenia
od przebiegu sinusoidalnego, dlatego konieczne jest zastosowanie filtru
dolnoprzepustowego 7 eliminującego powstałe deformacje.

37

Przekładnik prądowy z pomocniczym źródłem zasilania

Rys.2.15 Zasada działania przekładnika prądowego z pomocniczym
źródłem zasilania

PP1, PP2 –
przekładniki
prądowe; 1 –
modulator sygnału;
2 – wzmacniacz;
3 – dioda świecąca
(LED);

4 – światłowód;
5 – dioda
fluorescencyjna;
6 – demodulator;
7 – filtr
dolnoprzepustowy;
8,9 – wzmacniacz.

38

Elementy przetwornika 1 i 2, pozostające na wysokim potencjale
względem ziemi, wymagają dodatkowego zasilania (10), do czego
wykorzystuje się przeważnie oddzielny przekładnik prądowy PP2 oraz
baterię

Przekładniki prądowe oparte na podanej zasadzie działania
charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami technicznymi, takimi
jak:

 duża dokładność transformacji;

 błąd prądowy odpowiada klasie 0,1;

 szeroki zakres poprawnej transformacji, od 0,1 do 50-krotnej wartości;
znamionowego prądu pierwotnego I

pN;

 poprawna transformacja wyższych harmonicznych;

 poprawne odtwarzanie składowej nieokresowej prądu.

Przekładnik prądowy z pomocniczym źródłem zasilania

Przekładnik prądowy oparty na zjawisku Faradaya (magnetooptyczny)

W przekładniku magnetooptycznym (rys.2.16) wykorzystuje się efekt
Faradaya, polegający na skręceniu płaszczyzny polaryzacji liniowo
spolaryzowanego promienia świetlnego, przepuszczonego przez ciało
optycznie nieaktywne, o ile jest ono poddane działaniu pola
magnetycznego o kierunku równoległym do promienia świetlnego.

39

Przekładnik prądowy oparty na zjawisku Faradaya (magnetooptyczny)

Rys.2.16 Schemat przekładnika
prądowego magnetooptycznego:
b - źródło światła,
d - pryzmaty, f - polaryzator,
h

l

,h

2

- pręty z materiału

optycznie nieaktywnego,
z

1

- uzwojenie pier wotne,

z

2

- uzwojenie wtórne,

a - analizator,
k - komórka fotoelektryczna,
m - wzmacniacz,
I

1

- prąd pierwotny, I

2

- prąd wtórny.

40

Promień świetlny ze źródła światła b jest skierowany przez 2 pryzmaty
d

na

polaryzator f, a następnie przez oba pręty na analizator a.
Przy zachowaniu równości przepływów z

1

I

1

= z

2

I

2

dzięki

zastosowaniu metody kompensacyjnej płaszczyzna polaryzacji
skręcona w górnym pręcie szklanym zostaje doprowadzona do
położenia początkowego w pręcie dolnym.
Stan równowagi jest odbierany przez fotokomórkę k umieszczoną za
analizatorem a.
Każda zmiana w przepływie pierwotnym z

1

I

1

powoduje natychmiastową

(bez opóźnienia) zmianę w intensywności światła padającego na
fotokomórkę, przekazywaną na wzmacniacz m. Wywołuje to taką zmianę
prądu I

2

, aby została zachowana równość przepływów z

1

I

1

= z

2

I

2

. Prąd I

2

pozostaje stale wiernym odbiciem prądu I

1

.

Transformacja prądu pierwotnego I

1

na wtórny I

2

pozostaje poprawna

niezależnie od tego, czy prąd pierwotny jest sinusoidalny czy o
dowolnym przebiegu.
Przekładniki tego typu są stosowane w sieciach na napięcie 220-750
kV.

Przekładnik prądowy oparty na zjawisku Faradaya (magnetooptyczny)

41

Przekładniki różniczkująco - całkujące

Schemat ideowy przekładnika różniczkująco - całkującego pokazano na
rys.2.17. Układ przekładnika różniczkująco - całkującego składa się z
dwóch transformatorów (rdzeni) A i B oraz wzmacniacza różnicowego W.

Rys.2.17. Schemat ideowy przekładnika różniczkująco - całkującego

42

Pierwszy z transformatorów (A) jest transreaktorem, którego napięcie
wyjściowe jest proporcjonalne do pierwszej pochodnej prądu pierwotnego
i

p

, tzn.:

Przekładniki różniczkująco - całkujące

dt

di

M

u

p



2

(2.10)

gdzie: M – indukcyjność wzajemna.
Drugi z transformatorów (B) ma rdzeń o dużej przenikalności i małym
przekroju, w związku z czym na jego wyjściu pojawiają się bardzo
krótkotrwałe impulsy w chwilach przechodzenia prądu pierwotnego przez
zero.
Napięcie u

2

jest całkowane przez wzmacniacz różnicowy, mający

pojemnościowe sprzężenie zwrotne. Sygnał wyjściowy tego wzmacniacza
jest sprowadzany do zera w chwilach pojawiania się impulsów na wyjściu
transformatora B, a więc w czasie przechodzenia prądu pierwotnego
przez zero (na rys.2.17 symbolicznie realizuje to zamykający się zestyk
d).

43

Na wyjściu wzmacniacza różnicowego otrzymuje się napięcie







p

s

i

RC

M

dt

u

RC

u

2

1

(2.11)

gdzie: RC – parametry układu.

Zasada ta sprawdza się bardzo dobrze, jeśli nie pojawiają się zbyt
długie okresy w których prąd pierwotny jest jednokierunkowy (nie przecina
osi czasu).
Modyfikacja tego przekładnika polegająca na uzupełnieniu obydwu
transformatorów A i B o jeszcze jedno uzwojenie pomocnicze, przez które
przepływa prąd przemienny o znanej wartości, umożliwia wykorzystanie
tego układu nawet do pomiarów prądu stałego.
Do zalet tego przekładnika należy dodatkowo zaliczyć możliwość
wykorzystywania sygnału proporcjonalnego do pochodnej prądu
pierwotnego oraz impulsów zerujących na wyjściu transformatora B do
wyznaczania fazy prądu pierwotnego.

Przekładniki różniczkująco - całkujące