Użycie przekładników prądowych redukuje koszt układu pomiarowego

Użycie przekładników prądowych redukuje koszt układu pomiarowego

Użycie przekładników prądowych redukuje koszt układu pomiarowego

Bezpośredni pomiar prądu wykonywany np. w układach pomiarowo-rozliczeniowych czy w tablicowych analizatorach jakości energii jest możliwy, ale w ograniczonym zakresie prądów. W celu wykonania pomiarów rozliczeniowych lub pomiarów jakości energii w tzw. instalacjach silnoprądowych konieczne jest wykorzystanie przekładników prądowych.

Przekładniki prądowe, szczególnie w zastosowaniach przylicznikowych, muszą spełniać wiele wymogów. W artykule są omówione parametry przekładników prądowych montowanych na stałe w instalacjach elektrycznych.

Pomiar bezpośredni prądu płynącego w instalacjach elektrycznych

Układy pomiarowo-rozliczeniowe (takie jak zaprezentowany na rysunku 1), a także starsze analizatory jakości energii elektrycznej (przykład na rysunku 2) umożliwiają bezpośredni pomiar prądu.

Rys. 1. Układ pomiarowo-rozliczeniowy produkowany przez ABB

Rys. 2. Analizator jakości energii elektrycznej HIOKI

Układy takie transformują wewnątrz sygnał prądowy na sygnał napięciowy akceptowany przez przetworniki analogowo-cyfrowe próbkujące sygnał. Transformację tę wykonuje się wewnątrz miernika na ogół przy wykorzystaniu boczników pomiarowych. Budowa układów pomiarowych tak, aby w sposób bezpośredni były w stanie mierzyć znaczne wartości prądów, nie jest jednak podejściem opłacalnym. Urządzenia mierzące bezpośrednio prąd o znacznych wartościach charakteryzowałyby się dużymi rozmiarami, złożonymi zaciskami, a co za tym idzie − znacznym kosztem. W celu poprawnego pomiaru prądu każdy licznik musiałby występować w wielu wersjach w zależności od prądu, który miałby przewodzić. W związku z tymi problemami liczników posiadających prąd maksymalny większy od 20 A praktycznie się nie spotyka. W przypadku konieczności wykorzystania urządzenia pomiarowego w obwodach, gdzie prąd ma większe wartości, stosuje się właśnie przekładniki pomiarowe. Tworzy się tym samym półpośredni (mierzący bezpośrednio jedynie napięcie) lub pośredni układ pomiarowy (mierzący zarówno prąd, jak i napięcie pośrednio).

Przekładniki prądowe wykazują wiele wad w porównaniu z urządzeniami mierzącymi bezpośrednio, mają bowiem np. problem z pomiarem wartości stałych prądu czy składowej stałej, a także z poprawnym pomiarem wyższych harmonicznych (w przypadku przebiegów odkształconych). Zainstalowanie przekładnika powoduje pojawienie się dodatkowego błędu pomiarowego. Niemniej jednak wprowadzenie przekładników redukuje znacznie koszt układu pomiarowego i powoduje uelastycznienie dostępnych parametrów maksymalnych prądu mierzonego względem zakresu głównego urządzenia pomiarowego. Ponadto przekładniki prądowe dają w wielu wypadkach możliwość wykonywania uzwojeń po stronie pierwotnej (patrz: rysunek 3), co umożliwia uzyskanie jeszcze większej elastyczności w doborze prądu maksymalnego układu pomiarowego.

Rys. 3. Wytwarzanie zwojów po stronie pierwotnej przekładnika prądowego (źródło: www.lumel.com.pl)

Typy przekładników prądowych stosowanych w instalacja elektrycznych

Wśród przekładników prądowych stosowanych w instalacjach elektrycznych można wyróżnić trzy zasadnicze grupy: przekładniki transformatorowe, przekładniki bazujące na efekcie Halla i przekładniki działające na zasadzie cewki Rogowskiego. Popularność wykorzystania tychże w instalacjach elektrycznych ma taką samą kolejność, jak wyliczono powyżej.

Najpopularniejsze są przekładniki bazujące na zasadzie działania podobnej do transformatora, gdzie uzwojenie pierwotne jest w istocie przewodem (lub szyną) przewodzącą prąd pomiarowy. Wokół tego właśnie uzwojenia pierwotnego przekładnik tworzy obwód magnetyczny. Zadaniem tego obwodu jest skupienie strumienia pola magnetycznego wewnątrz powierzchni tworzonej przez nawinięte na obwód magnetyczny uzwojenie wtórne. Opisanie zasady działania transformatorowego przekładnika prądowego staje się bajecznie proste, ponieważ transformator musi spełniać zasadę mówiącą, że liczba zwojów razy prąd przewodzony muszą się zgadzać w uzwojeniu pierwotnym, jak też wtórnym. W celu redukcji wartości prądu na potrzeby urządzenia pomiarowego uzwojenie wtórne ma wiele zwojów, co przy jednym zwoju pierwotnych i liczbie zwojów wtórnych Z daje prąd po stronnie wtórnej Z-krotnie mniejszy od prądu po stronie pierwotnej.

Tego typu przekładniki nie są w stanie przenosić składowej stałej (nie będzie występowała w uzwojeniu wtórnym). Co więcej, występowanie składowej stałej w prądzie mierzonym może negatywnie wpłynąć na dokładność pomiaru składowej zmiennej. Dodatkowo przekładnik prądowy jest elementem z natury indukcyjnym, co powoduje, że wyższe harmoniczne są częściowo tłumione. Im wyższa częstotliwość harmonicznej, tym tłumienie większe. Wartości tłumienia nie są jednak bardzo duże. Dlatego nie można powiedzieć, że pomiar wyższych harmonicznych jest niemożliwy przy wykorzystaniu przekładników prądowych. Jedynie spodziewany błąd pomiaru będzie wyższy niż dla częstotliwości podstawowej 50 Hz. Przykładowy wygląd takich urządzeń zaprezentowano na rysunku 4.

Rys. 4. Przykładowe przekładniki prądowe produkcji LUMEL (źródło: www.lumel.com.pl)

Przekładniki prądowe wykorzystujące czujnik Halla działają nieco inaczej niż klasyczne przekładniki prądowe, pomimo tego że wygląd tych urządzeń jest często bardzo zbliżony. W układzie takim bowiem występuje również obwód magnetyczny wokół przewodnika z mierzonym prądem. Tym jednak razem pomiar jest wykonywany za pomocą czujnika Halla, czyli płytki półprzewodnikowej, która po zasileniu jej prądem i poddaniu działaniu pola magnetycznego, wytwarza napięcie. Jest więc w istocie także przetwornikiem prądu na napięcie.

Niestety układy półprzewodnikowe mają bardzo często nieliniowe charakterystyki. Podobnie jest w przypadku czujnika Halla. Pole magnetyczne zależy praktycznie liniowo od mierzonego prądu, natomiast sam czujnik wprowadza silną nieliniowość. W związku z tym proste zastosowanie czujnika Halla w pomiarze prądu zaprezentowane na rysunku 5 jest stosowane bardzo rzadko, gdyż wymaga dodatkowych urządzeń linearyzujących pomiar podłączonych do wyjścia wzmacniacza. Dużo bardziej popularny jest układ zaprezentowany na rysunku 6. W tym przypadku czujnik Halla zastosowany będzie jedynie jako detektor pola magnetycznego, który w przypadku jego pojawienia się wewnątrz rdzenia steruje prądem uzwojenia w taki sposób, żeby to pole wygasić. Równowaga pomiędzy polem wytworzonym przez mierzony prąd a prąd uzwojenia wtórnego jest odczuwana przez czujnik Halla jako brak pola magnetycznego w rdzeniu. Dzięki temu, że uzwojenie wtórne ma dużą liczbę zwojów, osiągane jest znaczne zmniejszenie prądu względem mierzonego. Zastosowanie rezystora w torze prądowym obwodu wtórnego pozwala zamienić sygnał prądowy na napięciowy, co jest wygodne dla przetworników pomiarowych, gdyż mierzą de facto napięcie.

Przekładniki prądowe z czujnikiem Halla są jednak rzadko stosowane w układach pomiaru energii. Tego typu przekładniki są zdecydowanie bardziej popularne w pomiarach wykonywanych przez analizatory jakości energii elektrycznej. Związane jest to z tym, że przekładniki takie bardzo dobrze mierzą wyższe harmoniczne i składową stałą bez wprowadzania dodatkowego błędu pomiarowego. Wadą przetworników z czujnikiem Halla jest konieczność zasilania ich, takiej konieczności nie ma przy standardowych przekładnikach prądowych. Zdjęcie przykładowego przekładnika z czujnikiem Halla zaprezentowano na rysunku 7.

Rys. 5. Przekładnik prądowy z czujnikiem Halla bez sprzężenia zwrotnego

Rys. 6. Przekładnik prądowy z czujnikiem Halla i ze sprzężeniem zwrotnym

Rys. 7. Przykładowy przekładnik prądowy z czujnikiem Halla produkcji LUMEL (źródło: www.lumel.com.pl)

Przekładniki działające na zasadzie cewki Rogowskiego coraz częściej pojawiają się w rozdzielniach także na stałe, a nie tylko w sytuacjach wykorzystania przenośnych urządzeń pomiarowych. Cewka Rogowskiego to urządzenie bezrdzeniowe, które wokół linii sił pola elektromagnetycznego wytwarzanych przez przewodzący mierzony prąd ma zaplecione uzwojenie. W tym uzwojeniu pomimo braku rdzenia pole elektromagnetyczne zgodnie z prawem Faradya wytwarza napięcie (lub prąd). Brak rdzenia pozwala cewce Rogowskiego na bardzo dokładny odczyt prądu wysokiej częstotliwości, czyli w przypadku instalacji elektrycznych na dokładny pomiar wyższych harmonicznych.

Instalacyjne rozwiązania przekładników bazujących na zasadzie działania cewki Rogowskiego z wyglądu przypominają standardowe przekładniki. Jedną z ich wad jest brak możliwości pomiaru składowej stałej prądu, jeśli taka występuje. Obecnie rozwiązania te stosowane są rzadko, ale głównie dlatego, że jest to technologia w zasadzie raczkująca dopiero wśród przekładników instalowanych na stałe.

Wymogi dla urządzeń stosowanych do pomiarów rozliczeniowych energii elektrycznej

Określenie wymogów dla urządzeń pomiarowo-rozliczeniowych należy do kompetencji operatorów systemów dystrybucyjnych. Firmy te zamieszczają na swoich stronach internetowych zatwierdzone wcześniej przez Urząd Regulacji Energetyki dokumenty zwane Instrukcją ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej. Dokumenty te ustalają wymogi dotyczące współpracy instalacji abonenta z siecią spółki dystrybucyjnej. Wśród nich znajdziemy także dotyczące układów pomiarowo-rozliczeniowych, włączając w to wymogi dotyczące przekładników prądowych.

Typowym wymogiem stawianym urządzeniom rozliczeniowym jest klasa dokładności co najwyżej 0,5. W związku z tym przekładnik nie powinien powodować większego błędu pomiarowego niż 0,5% przy pełnym obciążeniu. W celu zachowania tego warunku przy niższych obciążeniach niż nominalne stosuje się w praktyce często przekładniki dokładniejsze, czyli np. klasę 0,2.

Instrukcje ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej specyfikują także parametry dotyczące pracy przekładników w warunkach przetężeniowych, czyli wtedy, gdy płynie prąd większy od prądu nominalnego. Parametrem, który o tym mówi, jest np. współczynnik bezpieczeństwa FS (Instrument Security Factor), definiujący, ile razy prąd mierzony może być wyższy od nominalnego, żeby błąd pomiaru nie przekroczył 10%. Typowo wartość FS wynosi 5.

Innym parametrem przetężeniowym jest znamionowa wartość krótkotrwałego prądu cieplnego (Ith) liczona względem wartości nominalnej prądu. Mówi ona o tym, ile razy większy od nominalnego jest prąd, który przepływając przez obwód mierzony w czasie 1 sekundy, nie uszkodzi przekładnika. Wartość tego prądu powinna być wyższa od najwyższego prądu mogącego wystąpić w obwodzie, do którego przyłączony jest badany układ.

Podsumowanie

W zakresie transformowania prądów do celów pomiarowych czy pomiarowo-rozliczeniowychkorzystać możemy z wielu różnych typów urządzeń. Trzy najważniejsze (przekładnik pomiarowy, przekładnik z czujnikiem Halla oraz cewka Rogowskiego) zostały omówione w tym artykule. Cechy różnych typów przekładników predysponują je do zastosowań w różnych obszarach aplikacyjnych. W artykule przytoczono także podstawowe wymogi dla przekładników stosowanych w układach pomiarowo-rozliczeniowych, które to wymogi są stawiane przez spółki dystrybucyjne pod nadzorem Urzędu Regulacji Energetyki.

Autor: dr inż. Łukasz Rosłaniec absolwent studiów magisterskich i doktoranckich na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, specjalista w zakresie układów zasilania rezerwowego, rozproszonych źródeł energii, jakości energii elektrycznej, a także energoelektroniki