หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าเฟสเดียว-ในอาคารคืออะไร มันทำงานอย่างไร?

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นเครื่องมือหลักที่ขาดไม่ได้ในการวัดแสง การป้องกัน และการตรวจสอบระบบไฟฟ้า ไม่ว่าจะในห้องกระจายสินค้าของโรงงาน สถานีไฟฟ้าย่อย หรือตู้กระจายสินค้าในอาคาร ก็สามารถพบสิ่งเหล่านี้ได้เกือบทุกที่ที่ต้องการการวัดกระแสไฟฟ้า หม้อแปลงกระแสเฟสเดียว-ในอาคารเป็นประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย มีบทบาทสำคัญในการแปลงกระแสขนาดใหญ่ในสายไฟฟ้าแรงสูง-ให้เป็นกระแสที่มีขนาดเล็กลง เหมาะสำหรับการใช้งานอย่างปลอดภัยโดยเครื่องมือและรีเลย์ บทความนี้จะแนะนำคำจำกัดความ โครงสร้าง และหลักการทำงานของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าเฟสเดียว-ในอาคารอย่างเป็นระบบ ซึ่งช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญด้านไฟฟ้าและผู้เริ่มต้นมีความเข้าใจที่ชัดเจน

หม้อแปลงกระแส (CT) เป็นอุปกรณ์วัดและการแปลงแบบพิเศษ หน้าที่หลักคือการแปลงกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ในระบบไฟฟ้าให้เป็นกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กมาตรฐานตามสัดส่วน โดยทั่วไปแล้วจะแปลงกระแสปฐมภูมิขนาดใหญ่ให้เป็นเอาต์พุตมาตรฐาน 5A หรือ 1A ที่ฝั่งทุติยภูมิ เพื่อให้มั่นใจถึงการใช้อุปกรณ์รอง เช่น อุปกรณ์วัดกำลังไฟฟ้า แอมมิเตอร์ วัตต์มิเตอร์ และอุปกรณ์ป้องกันรีเลย์ได้อย่างปลอดภัย
เหตุใดการแปลงนี้จึงจำเป็น? มีเหตุผลสองประการ: ประการแรก กระแสไฟฟ้าในระบบไฟฟ้ามักจะสูงถึงหลายร้อยหรือหลายพันแอมแปร์ ทำให้ไม่สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับอุปกรณ์ธรรมดาได้ ประการที่สอง-สายไฟฟ้าแรงสูงไม่สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับเครื่องมือวัดได้ มิฉะนั้นผู้ปฏิบัติงานอาจเสี่ยงต่อการเกิดไฟฟ้าช็อต หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าบรรลุการแยกทางไฟฟ้าผ่านหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งทั้งลดกระแสไฟฟ้าตามสัดส่วนและแยกด้านแรงดันไฟฟ้าสูง-ออกจากวงจรทุติยภูมิแรงดันต่ำ-โดยสิ้นเชิง ซึ่งถือเป็นหลักประกันความปลอดภัยของบุคลากรและอุปกรณ์ในการวัด

ในอาคาร: หมายถึงโมเดลหม้อแปลงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับสภาพแวดล้อมการติดตั้งภายในอาคาร โครงสร้างฉนวน ระดับการป้องกันตู้ และระยะห่างตามผิวฉนวนได้รับการออกแบบสำหรับสภาพภายในอาคาร และไม่เหมาะสำหรับการใช้งานโดยตรงในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งที่ชื้น สกปรก หรือฝนตก-
เฟสเดียว-: ซึ่งหมายความว่าหม้อแปลงแต่ละตัวจะวัดกระแสของเส้นเฟสเพียงเส้นเดียว โดยมีการกำหนดค่าหนึ่งหน่วยต่อเฟส ในระบบสาม-เฟส ถ้าจำเป็นต้องมีการวัดกระแสสาม-เฟส โดยทั่วไปต้องใช้หม้อแปลงเฟสเดียวสองหรือสามตัว- (ขึ้นอยู่กับวิธีการเดินสาย) เมื่อเปรียบเทียบกับหม้อแปลงกระแสรวมแบบสามเฟส- หม้อแปลงกระแสเฟสเดียว-มีขนาดเล็กกว่าและมีความยืดหยุ่นในการติดตั้งมากกว่า ช่วยให้จัดวางในตู้จ่ายไฟ สวิตช์เกียร์ และกล่องวัดแสงต่างๆ ได้สะดวก

หม้อแปลงกระแสเฟสเดียว-ในอาคารส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนต่างๆ ต่อไปนี้จากภายนอกใน:
1. แกนกลาง
แกนกลางคือแกนวงจรแม่เหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งโดยทั่วไปจะทำจากแผ่นเหล็กซิลิกอนที่มีความสามารถในการซึมผ่านสูง-ซ้อนกัน ทำให้เกิดเป็นวงฟลักซ์แม่เหล็กแบบปิด วัสดุและพื้นที่หน้าตัด-ของแกนส่งผลโดยตรงต่อระดับความแม่นยำและลักษณะข้อผิดพลาดของหม้อแปลง หม้อแปลงมิเตอร์ริ่งต้องการความสามารถในการซึมผ่านของแกนกลางสูงและการสูญเสียฮิสเทรีซีสต่ำ หม้อแปลงป้องกันจะให้ความสำคัญกับความสามารถของแกนในการป้องกันการอิ่มตัวก่อนเวลาอันควรภายใต้ความผิดพลาดของกระแสไฟฟ้าสูง-
2. ขดลวดปฐมภูมิ (Primary Coil)
ขดลวดปฐมภูมิมีรอบน้อยมาก โดยปกติจะมีเพียงหนึ่งถึงสองสามรอบ บางครั้งเกิดขึ้นโดยตรงจากบัสบาร์หรือแท่งทองแดงที่ผ่านแกนกลาง ขดลวดปฐมภูมิเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับสายไฟที่วัดได้ และกระแสไฟฟ้าปฐมภูมิขนาดใหญ่ไหลผ่านขดลวดนี้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็ก
3. ขดลวดทุติยภูมิ (Secondary Coil) ขดลวดทุติยภูมิจะมีการหมุนมากกว่าและพันรอบแกนเหล็ก สามารถเชื่อมต่อแม่เหล็กไฟฟ้ากับขดลวดปฐมภูมิผ่านสนามแม่เหล็กของแกนเหล็ก เพื่อทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าทุติยภูมิ ขั้วทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิมักจะมีเครื่องหมาย S1 และ S2 (หรือ K1 และ K2) สำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ภายนอกและรีเลย์
4. ฉนวน ฉนวนหุ้มรอบแกนเหล็กและขดลวด เพื่อแยกวงจรหลักแรงดันสูง-ออกจากวงจรทุติยภูมิแรงดันต่ำ-โดยสิ้นเชิง วิธีการฉนวนทั่วไปสำหรับหม้อแปลงกระแสไฟในอาคาร ได้แก่ การหล่ออีพอกซีเรซิน (การหล่อแบบเสาหิน ฉนวนที่ดี โครงสร้างกะทัดรัด) และการหุ้มกระดาษฉนวนด้วยสารเคลือบเงา (กระบวนการแบบดั้งเดิม เหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีกำลังการผลิตขนาดใหญ่-)
5. ตัวเรือนและขายึด ตัวเรือนมักจะเป็นการหล่อแบบอีพอกซีเรซินแบบเสาหินหรือตัวเรือนโลหะ วิธีการติดตั้งประกอบด้วยประเภททะลุ-ผนัง เสา และบุชชิ่ง โดยเลือกรูปแบบที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับตำแหน่งการติดตั้งและโครงสร้างของวงจร

หลักการทำงานของหม้อแปลงกระแสเฟสเดียว-ภายในอาคารเป็นไปตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ สาระสำคัญของมันเหมือนกับของหม้อแปลงไฟฟ้า แต่สภาพการทำงานแตกต่างกันอย่างมาก กระบวนการทำงานพื้นฐานมีดังนี้:
เมื่อกระแสปฐมภูมิ I₁ ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ (การหมุน N₁) ในวงจรที่ทดสอบ ตามกฎของแอมแปร์ กระแสจะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับ Φ ในแกนเหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็กสลับนี้จะผ่านขดลวดทุติยภูมิด้วยการหมุน N₂ และตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าทุติยภูมิถูกเหนี่ยวนำให้เกิดในขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้นจะสร้างกระแสทุติยภูมิ I₂ ในวงจรทุติยภูมิที่เชื่อมต่อกับโหลด (ความต้านทานภายในของเครื่องมือ)
ข้อแตกต่างที่สำคัญระหว่างหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าและหม้อแปลงไฟฟ้าคือ: หม้อแปลงไฟฟ้าทำงานภายใต้สภาวะโหลดหรือโหลดที่ใกล้-ไม่มี- และแรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิจะแตกต่างกันไปตามโหลด ในขณะที่หม้อแปลงกระแสทำงานตามปกติโดยด้านทุติยภูมิอยู่ในสถานะใกล้-ลัดวงจร-วงจร (โดยมีความต้านทานภายในเครื่องมือน้อยที่สุด) และกระแสทุติยภูมิมีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนคงที่กับกระแสปฐมภูมิ โดยไม่ขึ้นกับขนาดโหลด เนื่องจากลักษณะเฉพาะนี้ ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสจะต้องไม่ใช้งานกับวงจรเปิด เมื่อเปิด-วงจรแล้ว ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านแกนกลางจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากการสูญเสียแอมแปร์ล้างอำนาจแม่เหล็ก-การหมุนที่ด้านทุติยภูมิ ส่งผลให้แกนกลางโอเวอร์-อิ่มตัว และทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงจนเป็นอันตราย (สูงถึงหลายกิโลโวลต์) ที่ด้านทุติยภูมิ คุกคามอุปกรณ์และความปลอดภัยของบุคลากรอย่างร้ายแรง

หลังจากทำความเข้าใจหลักการทำงานแล้ว จำเป็นต้องทำความคุ้นเคยกับพารามิเตอร์หลักต่อไปนี้ด้วย:
อัตราส่วนกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับ (อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลง): เช่น 100/5, 200/5, 400/5 เป็นต้น ซึ่งแสดงถึงอัตราส่วนของกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับในด้านหลักต่อกระแสไฟฟ้าที่ได้รับการจัดอันดับในด้านรอง เป็นพารามิเตอร์หลักสำหรับการเลือก
ระดับความแม่นยำ (เกรดความแม่นยำ): โดยทั่วไปจะเห็นคือ 0.1, 0.2, 0.5 (สำหรับการสูบจ่าย) และ 5P, 10P (สำหรับการป้องกัน) ยิ่งตัวเลขน้อย ความแม่นยำก็จะยิ่งสูงขึ้น ควรเลือกเกรดที่แตกต่างกันสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน
โหลดทุติยภูมิที่ได้รับการจัดอันดับ (VA): หมายถึงกำลังไฟฟ้าที่ปรากฏซึ่งสอดคล้องกับอิมพีแดนซ์สูงสุดที่อนุญาตซึ่งเชื่อมต่อกับด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแส ค่าทั่วไปคือ 5VA, 10VA, 15VA, 30VA ฯลฯ ความต้านทานรวมของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อไม่ควรเกินค่านี้ มิฉะนั้นข้อผิดพลาดจะเพิ่มขึ้น
แรงดันไฟฟ้าฉนวนที่กำหนด (Um): ค่านี้บ่งชี้ว่าฉนวนทนต่อระดับแรงดันไฟฟ้าของด้านปฐมภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าถึงกราวด์และด้านทุติยภูมิ เช่น 0.72kV, 3.6kV, 7.2kV เป็นต้น

สถานการณ์ หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าเฟสเดียว-ในอาคารถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานต่อไปนี้: วงจรวัดแสงและป้องกันในระบบจำหน่ายไฟฟ้าของโรงงาน การตรวจจับกระแสไฟฟ้าในสวิตช์เกียร์ 10kV และตู้จ่ายแรงดันไฟฟ้าต่ำ- ปัจจุบัน

การสุ่มตัวอย่างในอุปกรณ์ป้องกันรีเลย์ของสถานีย่อย กล่องวัดพลังงานในห้องกระจายอาคาร และวงจรตรวจสอบกระแสในระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

คำถามที่ 1: เหตุใดด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสจึงไม่สามารถเปิด-วงจรได้
ตอบ: เมื่อด้านทุติยภูมิเปิด- ฟลักซ์แม่เหล็กในแกนเหล็กจะสูญเสียผลการล้างอำนาจแม่เหล็กของกระแสทุติยภูมิ ส่งผลให้ฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้เกิดไฟฟ้าแรงสูงหลายพันโวลต์ที่ด้านทุติยภูมิ ซึ่งสามารถนำไปสู่การพังทลายของฉนวนของหม้อแปลงกระแสและอุบัติเหตุไฟฟ้าช็อตได้อย่างง่ายดาย ด้านทุติยภูมิต้องลัดวงจร-ก่อนที่จะแยกชิ้นส่วนอุปกรณ์

คำถามที่ 2: จะปลอดภัยกว่าหรือไม่หากเลือกอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่มากขึ้นสำหรับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า
ตอบ: ไม่จำเป็น อัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่มากเกินไปจะส่งผลให้กระแสไฟฟ้าทุติยภูมิไม่เพียงพอภายใต้โหลดปกติ ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดเพิ่มขึ้น และการอ่านค่าอุปกรณ์ไม่ถูกต้อง ควรเลือกอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากกระแสโหลดสูงสุดจริง โดยทั่วไปควรใช้กระแสไฟในการทำงานตามปกติที่ 60% ถึง 80% ของกระแสไฟหลักที่ได้รับการจัดอันดับ

คำถามที่ 3: หม้อแปลงไฟฟ้ากระแสตรงภายในสามารถติดตั้งภายนอกอาคารได้หรือไม่
ตอบ: ไม่ โครงสร้างฉนวนและระยะห่างตามผิวฉนวนของหม้อแปลงกระแสในอาคารได้รับการออกแบบมาเพื่อสภาพแวดล้อมภายในอาคารที่สะอาด สภาพแวดล้อมที่ชื้น สกปรก และอัลตราไวโอเลตกลางแจ้งจะเร่งการเสื่อมสภาพของฉนวน ซึ่งนำไปสู่การเกิดวาบไฟตามผิวฉนวนหรือการสลายตัวของฉนวน ต้องใช้หม้อแปลงกระแสภายนอกโดยเฉพาะ