Stroomtransformator

De in een elektriciteitscentrale opgewekte elektrische energie wordt via hoogspanningsleidingen en distributiesystemen getransporteerd om te worden verbruikt via residentiële toepassingen. De stroomniveaus moeten worden gemeten tijdens de productie en de distributie om ervoor te zorgen dat de optimale waarden worden overgedragen op verschillende punten langs het stroomdistributiesysteem. Deze spanning is vaak zeer hoog, hetgeen niet met een gewone voltmeter kan worden gemeten. Gespecialiseerde transformatoren worden gebruikt om zeer hoge spanningen en stromen langs het stroomnet te meten. De transformator die wordt gebruikt om een hoge spanning te meten wordt een spanningstransformator genoemd, ook wel potentiaaltransformator genoemd, en de transformator die wordt gebruikt om een hoge stroom te meten wordt een stroomtransformator genoemd. Dit artikel behandelt de bouw, werking, types en de toepassingen van stroomtransformatoren.

Inhoudsopgave

• Wat is een stroomtransformator
• Bouw en werking van stroomtransformatoren
• Soorten stroomtransformatoren
• Werking van stroomtransformatoren
• Waarom een stroomtransformator niet open gehouden moet worden
• Verschil tussen stroomtransformator en spanningstransformator
• Voor- en nadelen van stroomtransformatoren
• Stroomtransformator toepassingen
• FAQs

Wat is een stroomtransformator

Een stroomtransformator is een instrumenttransformator die hoge wisselspanningen in de primaire wikkeling reduceert tot een lage waarde in de secundaire wikkeling. Dit wordt vooral gebruikt wanneer een stroom te hoog is om rechtstreeks te meten. Daarom bieden zij een handige manier om de werkelijke hoogwaardige wisselstroom die door een transmissielijn loopt, veilig te bewaken.

Stroomtransformatoren hebben twee basisfuncties:

1. Aanpassing van de middenspanningsstroomwaarde aan de primaire wikkeling tot een lage stroomwaarde aan de secundaire wikkeling, geschikt voor commerciële meetinrichtingen en andere residentiële toepassingen.
2. Het isoleren van vermogenselektronische circuits van de meet- of beveiligingscircuits. Een stroomtransformator fungeert als intermediair tussen de verschillende elektronische circuits en de meetapparatuur. De stroomtransformatoren zorgen voor de isolatie van de hoge spanningen en stromen van het elektrische circuit. Deze transformatoren leveren een secundaire stroom in het bereik van 0-5A die wordt aangesloten op de meetinrichtingen.

Bouw en werking van stroomtransformatoren

De constructie van een stroomtransformator is vergelijkbaar met die van een conventionele transformator. De transformator is in wezen een step-down transformator (ten opzichte van de stroom), die bestaat uit primaire en secundaire wikkelingen zonder enige elektrische verbinding daartussen. Het aantal windingen en de stromen in de primaire en secundaire wikkelingen van een transformator zijn als volgt met elkaar verbonden:

N1 / N2 = I2 / I1

• N1: Aantal windingen in de primaire spoel
• N2: Aantal windingen in de secundaire spoel
• I2: Stroom door de secundaire spoel
• I1: Stroom door de primaire wikkeling

Om de stroom tot een zeer lage waarde terug te brengen, moet het aantal windingen in de secundaire groter zijn dan het aantal windingen in de primaire (N2>N1). Daarom wordt het primaire deel van een stroomtransformator gewikkeld met enkele windingen van een geleider met een dikke doorsnede in de wikkeling. De secundaire sectie is omwonden met een groter aantal windingen van geleiders met een kleine doorsnede.

De primaire wikkeling (figuur 4 met plaatje A) en de secundaire wikkeling (figuur 4 met plaatje C) zijn gewikkeld op een magnetische kern van lamellen van siliciumstaal (figuur 4 met plaatje B). Volgens de inductiewet van Faraday induceert de stroom die door de primaire wikkeling loopt een magnetisch veld over de wikkeling. Een deel van dit magnetisch veld verbindt zich met de secundaire wikkeling, waardoor een stroom in de secundaire wikkeling op gang wordt gebracht. De magnetische kern zorgt voor een weg met lage reluctantie voor de stroom van het gecreëerde magnetische veld.

Een stroomtransformator die in een klein lijnspanningssysteem wordt gebruikt, gebruikt gewoonlijk plakband of vernis als isolatiemateriaal. Stroomtransformatoren met olie-immersie worden daarentegen gebruikt in een hoogspanningssysteem.

De sterkstroomvoerende leiding (figuur 5, label C) levert stroom aan de belasting (figuur 5, label B). De primaire zijde van de stroomtransformator (Figuur 5 met CT) is in serie geschakeld met de sterkstroomlijn. De secundaire zijde van de transformator is verbonden met een ampèremeter met laag bereik (bereik 0-5A) die de stroom door de secundaire wikkelingen afleest.

Soorten stroomtransformatoren

Afhankelijk van de constructie zijn er twee soorten stroomtransformatoren: gewikkelde stroomtransformatoren en staafvormige stroomtransformatoren.

Gewikkelde stroomtransformatoren

In een gewikkelde stroomtransformator zijn zowel de primaire als de secundaire wikkelingen op een kern gewikkeld. De kern kan de vorm hebben van een rechthoek of een ring, vervaardigd van staal of een nikkellegering. Een rechthoekige kern is afgebeeld in figuur 4. In ringkerntransformatoren is de spoel van het secundaire gedeelte (figuur 6, markering C) gewikkeld op een ferromagnetische kern (figuur 6, markering A). De spoel van de primaire sectie (figuur 6, label B) is gewikkeld op de buitenkern met geschikte isolatie tussen beide wikkelingen. Gewikkelde stroomtransformatoren zijn goedkoper dan staafvormige, maar zijn niet zo nauwkeurig.

Staafvormige stroomtransformator

Een staafstroomtransformator heeft geen primaire wikkeling. De primaire zijde bestaat uit een staafvormige geleider (figuur 7, gelabeld met C). Het secundaire gedeelte bestaat uit wikkelingen die op een cirkelvormige kern rond de primaire staafgeleider zijn gewikkeld (figuur 7, label B). Tussen het primaire en secundaire gedeelte wordt een papieren isolator op de staaf gehouden. De primaire en secundaire segmenten zijn dicht op elkaar geplaatst en de afstand ertussen is klein gehouden om fluxlekkage te beperken, zodat zeer nauwkeurige metingen mogelijk zijn. Een staafstroomtransformator is bestand tegen de belasting van zware overstroom. Dit type transformator wordt gewoonlijk aangetroffen in installaties met een spanning van 25 kV of minder. Staafvormige transformatoren zijn duur in vergelijking met hun gewikkelde tegenhangers, maar geven zeer nauwkeurige resultaten dankzij de verminderde fluxlekkage.

Werking van stroomtransformatoren

De werking van een stroomtransformator is vergelijkbaar met die van een conventionele transformator met twee wikkelingen. Een stroomtransformator wordt gebruikt om hoge stromen te meten. Wanneer de hoge stroom door de primaire wikkeling van de stroomtransformator vloeit, induceert deze een kleine stroom door de secundaire, afhankelijk van het aantal windingen in beide wikkelingen. Een ampèremeter met een laag bereik die over de secundaire wikkeling is aangesloten, kan de stroom meten die door de secundaire wikkeling loopt.

In een transformator:

N1 / N2 = V1 / V2 = I2 / I1

• N1: Aantal windingen in de primaire spoel
• N2: Aantal windingen in de secundaire spoel
• V1: Spanning door de primaire wikkeling
• V2: Stroom door de secundaire spoel
• I2: Stroom door de secundaire spoel
• I1: Stroom door de primaire wikkeling

Daarom kan het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkeling, samen met de waarde van de secundaire stroom, gemeten met een ampèremeter, worden gebruikt om de hoogwaardige stroom te bepalen die door de primaire wikkeling vloeit.

Voorbeeld

Beschouw een stroomtransformator met een draaiverhouding (N2/N1) van 300:1. Als de ampèremeter aan de secundaire zijde van de transformator 1A aangeeft:

• N1 = 1
• N2 = 300
• I2 = 1A
• Daarom is I1= (1/ 300) ✕ 1 = 300A

Aangezien de spanning in de primaire of secundaire wikkeling recht evenredig is met het aantal windingen, bedraagt de geïnduceerde spanning in de secundaire wikkeling 300 maal die in de primaire wikkeling. Een stroomtransformator werkt dus als een spanningsopvoertransformator.

Waarom een stroomtransformator niet open gehouden moet worden

In een magnetisch circuit is de magnetomotorische kracht (MMF) de kracht die verantwoordelijk is voor het opwekken en bewegen van de magnetische flux. Wanneer er stroom door de primaire wikkelingen vloeit, is de MMF die in de primaire zijde ontstaat N1 ✕ I1 (ampère-omwentelingen).

De MMF die in de primaire zijde wordt geproduceerd, leidt tot de productie van magnetische flux die door de kern stroomt en MMF en magnetische fluxproductie in de secundaire zijde voortbrengt. De MMF aan secundaire zijde wordt gewoonlijk gecompenseerd door de MMF aan primaire zijde. Wanneer een belasting op de secundaire wikkeling wordt aangesloten, begint de stroom in de wikkeling te stromen, waardoor zijn eigen magnetische flux wordt opgewekt, die met de primaire wikkeling in verbinding staat. De stroom door de secundaire wikkeling neemt bijvoorbeeld toe als de op de secundaire zijde aangesloten belasting wordt verlaagd. Hierdoor neemt de flux aan de secundaire zijde toe, waardoor de netto flux aan de primaire zijde door wederzijdse inductie toeneemt. De magnetische flux in de primaire en secundaire zijde blijft dus gelijk.

Indien de secundaire zijde van een stroomtransformator open wordt gelaten, wordt de stroom door de secundaire wikkelingen nul; bijgevolg wordt de in de secundaire wikkeling geproduceerde MMF, die over het algemeen de in de primaire wikkeling geproduceerde MMF in evenwicht brengt, nul. Aangezien er geen MMF tegen is, produceert de primaire MMF zonder tegenwerking een zeer hoge flux in de kern, wat leidt tot:

• Overmatige kernverliezen. Kernverlies is het energieverlies binnen de kern veroorzaakt door een wisselende magnetische flux. Een onstabiel magnetisch veld vernietigt uiteindelijk de werking van het kernmateriaal.
• Verwarmen van de spoel tot voorbij de limiet
• Beschadiging van de isolatie van de wikkeling

Ook kan de grote secundaire spanning een veiligheidsrisico vormen voor de bedieners. Daarom is het gebruikelijk de secundaire zijde te aarden om het gevaar van elektrocutie voor de bediener te voorkomen.

Verschil tussen stroomtransformator en spanningstransformator

Stroomtransformatoren en spanningstransformatoren zijn veilige instrumenten om stromen en spanningen van hoge waarde met uiterste nauwkeurigheid te meten. Het verschil tussen stroomtransformatoren en spanningstransformatoren wordt gegeven in tabel 1.

Basis voor vergelijking	Stroomtransformator	Spanningstransformatoren
Definitie	Zet hoge ingangsstroom om in een lage uitgangsstroom	Zet hoge ingangsspanning om in een lage uitgangsspanning
Aansluiting	In serie geschakeld met het instrument	Parallel geschakeld met het instrument
Primaire en secundaire wendingen	Klein aantal primaire wikkelingen in vergelijking met die van de secundaire wikkeling	Groot aantal primaire wikkelingen in vergelijking met die van de secundaire wikkeling
Kern constructie	Silicium staal laminering	Staal van topkwaliteit dat werkt bij lage fluxdichtheden
Volle lijnstroom/spanning	De primaire wikkeling bevat de volledige lijnstroom	De primaire wikkeling bevat de volledige lijnspanning
Soorten	Gewikkeld type en staaf-type	Elektromagnetische en capacitieve potentiaalsoorten
Open circuit aan secundaire zijde	De secundaire wikkeling van een stroomtransformator kan niet open worden gelaten.	De secundaire wikkeling van een potentiaal transformator kan open gelaten worden.
Toepassingen	Stroommeting en werking van beveiligingsrelais in het onderstation	Spanningsmeting en werking van beveiligingsrelais in het onderstation

Tabel 1: Verschil tussen stroomtransformator en spanningstransformator

Voor- en nadelen van stroomtransformatoren

Voordelen:

• Grote stromen kunnen veilig worden gemeten.
• Isoleert de sterkstroomleiding van de meetapparatuur (zoals voltmeter en ampèremeter).
• Werkt als een controle-instrument om beveiligingen zoals waakvlammen en relais te bedienen.
• Eén enkele stroomtransformator kan aan talrijke instrumenten worden gevoed.

Nadelen

• Meet alleen wisselstroom.

Stroomtransformator toepassingen

1. Het meten van stroom in commerciële opbrengstmeteringstoepassingen.
2. Beveiligingsapparaat in hoogspanningslijnen en elektrische onderstations.
3. Toepassingen van stroomconvertoren in onderstations, en AC-DC filters.
4. Gebruikt als een geïntegreerde beschermingsmodule in capacitieve banken.
5. Gebruikt in handgereedschap zoals AC stroomtangmeters voor stroommetingen.

FAQs

Waar wordt een stroomtransformator voor gebruikt?

Een stroomtransformator wordt gebruikt om de hoge stroom die door een lijn loopt te meten, en ook als isolatie-inrichting tussen stroomcircuits en meetinrichtingen.

Wat is het verschil tussen een spanningstransformator en een stroomtransformator?

Een spanningstransformator meet een hoge spanning en wordt parallel geschakeld over de lijn. Een stroomtransformator meet een hoge stroom en wordt in serie geschakeld met de te meten leiding.

Waarom wordt de stroomtransformator een step-up transformator genoemd?

Een stroomtransformator zet een hoge stroom in de primaire zijde om in een lage stroom in de secundaire wikkeling. De transformator verhoogt de spanning aan de secundaire zijde door de stroom door de secundaire wikkelingen te verminderen.