Kisfeszültségű áramváltó
Az év szócikke 2010 verseny jelöltjei Transzformátor
A kisfeszültségű áramváltó (angolul current transformer, vagy röviden CT) egy olyan árammérő transzformátor, melynek primer tekercsén folyik át a mérendő elektromos áram, szekunder tekercsét pedig a mérőműszer zárja rövidre. Nagy váltakozó áramok esetén (általában maximum 8000 A–10000 A-ig), vagy ha a mérőműszert galvanikusan le akarják választani a hálózatról, áramváltó közvetítésével mérnek. Amikor az áramkörbe kötött áramváltót nem használják, szekunder kivezetéseit mindig rövidre zárják (ez alól kivételt képeznek az összegző áramváltók).

A kisfeszültségű áramváltók működési elvükben megegyeznek a nagy- és középfeszültségű áramváltókkal, ám azok szigetelése és kialakítása masszív, jellemzően kültéri elhelyezésre alkalmasak.

## Működése

Az áramváltó egy olyan árammérő transzformátor, melynek primer tekercsén folyik át a mérendő áram, szekunder tekercsét pedig a mérőműszer zárja rövidre. Az áramváltó működésének alapja a transzformátor gerjesztési egyenlete. Ha a mérendő áramnak nincs egyenáramú összetevője, akkor érvényes az

${N_1}{I_1} + {N_2}{I_2} = {N_1}{I_{1,vas}}$

összefüggés, ahol $N_1$ és $N_2$ a primer és szekunder menetek száma, $I_1$ és $I_2$ a primer és a szekunder áram, $I_{1,vas}$ pedig a vasmag üzemi átmágnesezéséhez szükséges primer áram. Ez utóbbi igen kicsi, ha a transzformátor rövidre van zárva. $I_{1,vas} \approx 0$, tehát

${N_1}{I_1} + {N_2}{I_2} \equiv 0$

Ebből következően

${N_1}{I_1} \equiv {N_2}{I_2}$

vagy

${I_1 \over I_2} \equiv {N_2 \over N_1}$

## Fontos tudnivalók

- Az áramváltó használata során a szekunder kapcsoknak állandóan rövidre zárva kell lenniük. Ha a primer tekercsen áram folyik, és a szekunder rövidre zárást megszakítjuk, $I_2 = 0$ lesz, és az egész primer áram csak a vasmagot gerjeszti; rendkívüli indukció keletkezik a vasmagban, rendkívüli, esetleg életveszélyes feszültség a szekunder kapcsok között.
- Ha csak áramerősséget mérünk az áramváltóval, akkor a szekunder csatlakozás tetszés szerinti lehet. Teljesítmény, munka mérésekor ügyelni kell a helyes áramirányra a szekunder oldalakon. Nemzetközi megállapodás szerint P1 és P2 (régebben K és L) a két primer kapocs és S1, S2 (régebben k és l) a két szekunder kapocs. Ha valamely pillanatban az $I_1$ áram befolyik az P1 kapcson az áramváltóba, akkor az $I_2$ áram kifolyik az áramváltó S1 kapcsából.
- Az áramváltó vasa, hőkezelés után, már rendkívül érzékeny mindenféle mechanikai feszültségre. A vas tönkretehető mechanikai behatásokkal. Nem megengedhető például mereven szilárduló kiöntőanyag használata kiöntéshez, mert az áramváltó pontosságát nagymértékben rontja.

## Kivitele

- E–I lemezekből összeállított áramváltó,
- U–I lemezekből összeállított áramváltó,
- M lemezekből összeállított áramváltó,
- Toroid transzformátor.

A használat módja szerint:

- szerelvényre rögzíthető,
- nyomtatott áramkörbe ültethető,
- hordozható.

## Fajtái

- Primer tekercses áramváltó. Megegyezik a fentiekben leírtakkal. Különösen ügyelni kell a primer- és szekunder tekercsek megfelelő elszigetelésére. (lásd: próbafeszültség)

Nagyobb áramokhoz az adott menetszámnak megfelelően elcsípik a primer tekercs minden X-edik (kiszámolt) menetét és a meneteket párhuzamosan kötik.

Univerzális kézi műszereknél szokás áramváltót (és csatoló kondenzátort) használni az egymásra szuperponált, egyenáramú és váltakozó áramú összetevők szétválasztására. Ezeket az áramváltókat általában U és I lemezekből összeállított vasmagon, két teljesen egyenértékű tekercseléssel készítik. A tekercsek az U lemez két szárán helyezkednek el oly módon, hogy gerjesztési irányuk megegyezzen. Mivel egymáshoz képest 180°-kal el vannak forgatva, a külső mágneses terek az egyik tekercs gerjesztését erősítik, de ugyanakkor a másikét gyengítik, és így a hatásuk kiegyenlítődik.

- Sínáramváltó. A primer tekercs a mérendő áramot vezető vezeték vagy sín. Ez tulajdonképpen egyetlen menetnek fogható fel. Kis áramok mérésére a kis gerjesztés miatt nem használható. A sínáramváltók kialakítása olyan, hogy a szabványos sínekhez igazodik a belső lyuk mérete.
- Nyitható sínáramváltó. Nagy áramok mérésénél a vezető rézből készült sín. Ha újabb áramváltót szükséges beszerelni a méréshez, a vezető sínt meg kell bontani. A nyitható sínáramváltó egy oldala és vele a benne elhelyezett vasmag szétszerelhető, a sínre feltehető, és összeszerelve a sín megbontása nélkül használható.
- Lakatfogó. Első változatai a Dietze-fogó, ami voltaképpen nyitható vasmagú áramváltó (olló vagy harapófogó módjára nyitható és csukható), a Reich-fogó, ami nyitott U alakú lemezekből összerakott villa, melyen a szekunder tekercs kapcsait egy egyenirányítós lengőtekercses műszer zárja rövidre. A lakatfogók nagy előnye, hogy az árammérésnél a vezető megbontása nélkül közvetlenül tudunk áramot mérni. A modern digitális lakatfogókkal az árammérésen kívül váltakozóáramú feszültséget hatásos teljesítményt, meddő teljesítményt, frekvenciát fáziseltolást és teljesítménytényezőt is lehet mérni. Ezek a lakatfogók nem áramváltóként működnek, hanem Hall-effektussal. Ezek a műszerek nem tartoznak ebbe a kategóriába.
- Sínáramváltó távadóval. Az áramtávadók, teljesítmény-távadók, teljesítménytényező távadók bemenete általában egy áramváltó. Kézenfekvő volt, hogy ennek meghajtására ne egy külön áramváltót használjanak, hanem a sínáramváltóba építsenek be egy távadót. A kimenet szabványos egységjel. A szabványos egységjelek: 0–5 V, 1–5 V, 0–10 V, 2–10 V, 4–20 mA, 0–20 mA.
- Sínáramváltó távadóval és beépített kapcsolóval.. Az áramtávadók bemenete általában egy áramváltó. Kézenfekvő volt, hogy ennek meghajtására ne egy külön áramváltót használjanak, hanem a sínáramváltóba építsenek be egy távadót. A kimenet szabványos egységjel. A beépített DIP kapcsoló lehetővé teszi, hogy a névleges primer áramot elektronikusan átkapcsoljuk. (A valóságban nem a primer áram kerül átkapcsolásra, hanem a távadó bemenetének érzékenységét változtatja meg.)
- Összegző áramváltó. Az összegző áramváltó több főáramváltó áramait összegzi. Ha a főáramváltók közül az egyik árammentes, akkor a megfelelő áramkört nem szabad rövidre zárni sem az összegző, sem a főáramváltó oldalán. A főáramváltók szekunder és az összegző áramváltó primer méréshatárainak megegyezőnek kell lennie.
- Védelmi áramváltó. Bizonytalan nagyságú áramcsúcsokat kell érzékelni, melyek kívül esnek az áramváltó 0–100%-án, de a 100% és a védelmi határtényező közé esnek. Értékét a védelmi áramváltó jelölését követő „P” jelzi (például 5P5, 5P10). Szabványos értékei: 5, 10, 15, 20, 30.
- Kombinált áramváltó A kombinált áramváltóknál egy vagy több szekunder tekercselés van általában a szabványos /1 A és/vagy /5 A méréshatárral. A primer tekercselése osztott kivitelű. A P1 primer kapocshoz képest vannak kialakítva az összes méréshatár kapcsai. A számítás módja megegyezik az áramváltókénál leírtakkal. A képen látható áramváltó 400 ampermenet gerjesztéssel van számolva (lásd rajz: Kombinált áramváltó kapcsolási rajza, kép: Kombinált, hordozható áramváltó).

Az áttételi hiba csökkentésére a szekunder tekercsre 2x∅1 mm huzalból 80 menet és 1x∅ 0,63 mm huzalból 79 menet van feltekerve.

A primer tekercs méretezése: A méretezést mindig a legnagyobb áram méréshatárnál kezdik. A 400 ampermenet gerjesztéshez az 50 A-es méréshatárhoz (400 ampermenet/5 A = 8 menet) a számított menetszám. A tekercseléshez használt ∅1,6 mm-es huzal keresztmetszete 2,01 mm2. A párhuzamosan kötendő huzalok számát a legnagyobb megengedhető áramsűrűség határozza meg. Ez legyen maximum 5 A/mm2. Az 50 A névleges áramhoz így öt párhuzamos szál adódik ki. (Ekkor az áramsűrűség = 50 A / 5 × 2,01 mm2 = 50 A / 10,05 mm2 = 4,975 A/mm2 ≈ 5 A/mm2) Feltekernek 40 menetet, és minden nyolcadik menetnél elcsípve a szálakat párhuzamosan kötik. A 25 A méréshatárhoz 400 /25 A = 16 menet adódna, de mivel már 8 menet benne van az 50 A-es méréshatárhoz, további 8 menet szükséges (mivel ezt a 8 menetet az 50 A és a 25 A kapcsok közé vezetik ki, a csatlakozás viszont a P1 csatlakozóhoz értendő). A valóságban az egyszerűbb tekercselés miatt 80 menetet tekernek fel, és elcsípnek minden nyolcadik menetet, ebből öt huzalt a P1-50 A közé, másik öt huzalt az 50 A–25 A közé vezetik ki. Ezt a logikát folytatva a 10 A-hez 400/10 = 40–8–8=24 menet, az 5 A-hez 400/5 = 80–8–8–24= 40 menet, a 2,5 A-hez 400/2,5 = 160–8–8–24–40=80 menet adódik. A 2,5 A méréshatárnál az összes menet részt vesz a gerjesztésben, míg ennél kisebb méréshatárok esetében csak a P1 és a bekötött méréshatárok közötti részen folyik a mérendő áram, a többi huzal nyitott áramkör, melyen nem folyik áram. Természetesen a menetszámok meghatározása mellett itt is meghatározzák a szükséges keresztmetszetet.

- Egyenáramú áramváltó

Igen nagy egyenáramok mérésére használható a Krämer-féle egyenáramú áramváltó. A mérendő egyenáram két, egymástól térben elkülönült, és így anyagilag független A és B lemezelt vasmagot, például gyűrűt, sínáramváltó módjára mágnesez. Mindkét vasmagra, a kerület mentén egyenletesen elosztva N<sub>2</sub> és N<sub>2</sub> azonos menetszámú menet van tekercselve szekunder mérőrendszerként. A két szekunder tekercs sorba van kapcsolva, és az U<sub>v</sub> váltakozófeszültségről táplálva; sorba kapcsolásuk olyan, hogy amikor a bennük keringő váltakozó áram az egyik vasmagban ugyanolyan irányban mágnesez, mint az egyenáram, akkor a másik vasmagban a váltakozó áram gerjesztése szembe van fordítva az egyenáram gerjesztésével. Mivel a vasmag anyaga permalloy, mumetal, vagy hasonló anyag, rendkívül csekély gerjesztéssel a vasban mágneses telítettség érhető el. A gerjesztés további növelése gyakorlatilag nem változtatja meg a mágneses indukciót, tehát a gerjesztés (az áram) növelése nincs korlátozva. A vasmagok ezen tulajdonsága miatt a segédáramforrás váltakozó áramát az a vasmag befolyásolja, amelyikben a kétféle, az egyenáramú és a váltakozóáramú gerjesztés éppen egymás ellen működik. Ez a kölcsönhatás azt eredményezheti, hogy erre a vasmagra nézve az egyenáramú és a váltakozóáramú gerjesztés egymást éppen kompenzálja:

$I_{1(=)} = {N_1 \over I_2}{N_2} = 0$

vagy

$I_{1(=)} = {N_2 \over N_1}{I_2}$

Ez a kompenzálás az $U_v$ segédfeszültség fél periódusa alatt az egyik, a következő fél periódusa alatt a másik vasmagon következik be. A váltakozó áram derékszögű négyszöghullámú görbével áramlik. Ha ezt a váltakozó áramot kétutasan egyenirányítják, az így keletkező egyenáram igen csekély eltéréssel a mérendő egyenáraméval azonos gerjesztésnek felel meg. Az eltérésnek részben a szerkezet üresjárási árama a magyarázata. Ha $I_{1(=)} = 0$, akkor $I_2 \neq 0$. Valami csekély gerjesztést a segédáramforrás ilyenkor is létesít, de ennek mértéke elhanyagolható.

Ha a vasmag mágnesezési görbéje a permalloytípusnak felel meg, az egyenlet érvényessége nem függ az $U_v$ segédfeszültségnek sem a nagyságától, sem frekvenciájától. Ez az erőátviteli frekvenciákon korlátlanul igaz addig, míg az áramkörben csak mágnesezésről van szó. Ha a szekunder körben teher is van (ami elkerülhetetlen), ennek teljesítményét a segédáramforrásnak kell fedeznie, amire már a feszültség ingadozása nem teljesen közömbös, ám az ezzel okozott hiba nagysága elhanyagolható.

Az egyenáramú áramváltó mérőképessége a segédfeszültség működőképességéhez van kötve. Ennek előnye: nem terheli a mérendő kört, de hátránya is, mert a mérés biztonsága így csökken. Mivel igen nagy áramerősségek mérésére használják, mégis szinte nélkülözhetetlen, mivel az ilyen nagy egyenáramok közelsége a közönséges lengőtekercses műszert mágnesesen zavarná, másrészt hagyományos módon sönttel mérve a felvett teljesítménye is rendkívüli: például A és 60 mV esetén 3 kW.

## Az áramváltó fontosabb paraméterei

### Névleges primer áram

A mért áramkör legnagyobb tartós áramának figyelembe vételével kell kiválasztani. Az áramváltókat a névleges áram 20%-a és 100%-a között célszerű használni. A primer áram általában 1–2,5–5–7,5–10–12,5–15–20–25–30–40–50–60–75–80 A, és ezek tízes számú többszörösei, vagy hányadai.

### Névleges szekunder áram

A szokásos áram: 5 A vagy 1 A (a terhelés bemenetének megfelelően). Különálló áramváltóknál ez a legelterjedtebb. Műszerekbe épített áramváltóknál, laboratóriumi váltóknál szokásos ennél több, ettől eltérő szekunder alkalmazása.

### Pontossági osztály

A pontossági osztály meghatározza az áramváltó legnagyobb áttételi hibáját (százalékban), valamint a szöghibáját (crad-ban) a névleges primer áram és névleges terhelés figyelembe vételével.

- A szabványos pontossági osztályok:
  - méréshez: 0,2, 0,2s, 0,5, 0,5s, 1, 3,
  - védelemhez: 5P, 10P.

### Névleges terhelhetőség

Névleges terhelhetőség az a VA-ben (voltamperben) megadott legnagyobb teljesítmény, amelyet az áramváltó képes szolgáltatni bizonyos pontossági osztályban. A mérőkör teljesítménye a készülék (például műszer) fogyasztásának (VA) és a csatlakozóvezeték veszteségének összege. Az áramváltónak legalább ekkora, a kívánt pontossági osztályhoz tartozó névleges teljesítménnyel kell rendelkeznie. Ajánlatos, hogy a mérőkör teljesítményigénye az áramváltó teljesítményének 25–100%-a között legyen.

A bekötő vezeték és a műszerek teljesítményfelvétele VA-ben:

### Üzemi feszültség

Az üzemi feszültség az a legnagyobb hálózati feszültség, melyhez az áramváltó még csatlakoztatható. Kisfeszültségű áramváltóknál a primer feszültség maximum 720 V lehet. Ez a feszültség a távvezetékek kivételével mindenhol elegendő.

### Névleges termikus határáram

Jele: I<sub>th</sub>. A névleges termikus határáramot (primer áram) az áramváltónak 1 percig kell kibírnia károsodás nélkül. Például ha I<sub>th</sub> = 40, I<sub>N</sub> = 100 A, akkor 4000 A-t kell kibírnia. Ez a vizsgálat csak típusvizsgálat része. A keresztmetszetek és az áramok figyelembevételével csak számolni szükséges.

Értéke általában:

- Primer tekercses kivitelnél = 40×I<sub>N</sub>
- Sínre húzható kivitelnél = 60×I<sub>N</sub>

Ekkor a megengedhető legnagyobb áramsűrűség

- réz esetén: 180 A/mm2,
- alumínium esetén: 118 A/mm2.

Ezekkel az áramsűrűségekkel a túlmelegedés kb. 180°C. Természetesen a szekunder tekercsben sem lehet ennél nagyobb áramsűrűséget megengedni.

### Dinamikus határáram

Jele: I<sub>dyn</sub>. A dinamikus határáramot az áramváltó mechanikai sérülés nélkül kibírja. Ez elvben az áram első amplitúdója.

Értéke általában I<sub>dyn</sub> = 2,5×I<sub>N</sub>, mely a gyártó és a megrendelő megállapodásán múlik.

### Tartós túlterhelés

Tartós túlterhelés, az a legnagyobb primer áram, mellyel az áramváltó még folyamatosan terhelhető a megadott hibahatáron belül, károsodás nélkül.

Értéke általában I<sub>max.</sub> = 1,2 × I<sub>N(primer)</sub>.

### Névleges műszerbiztonsági határtényező

Jele: FS. Meghatározza azt a legnagyobb primer áramot, ahol a vas telítésbe megy, azaz a szekunder áram nem növekszik a primer áramnak megfelelően. Ez az érték a névleges terhelhetőséghez van beállítva, és fordítottan arányos az áramváltó terhelésével. Az áramváltóról táplált készülék (műszer) nagyobb biztonságban van, ha ez a tényező kisebb. Szokásos értéke: 5, esetleg 10.

### Működési frekvencia

A normál hálózatoknak megfelelően értéke általában 50...60 Hz.

### Hőállósági osztály

Meghatározza azt a hőmérsékletet, amely sem mechanikailag, sem elektromosan nem károsítja az áramváltót. Az áramváltó üzemi hőmérséklete a legmagasabb környezeti hőmérséklete és a legnagyobb melegedés összege.

- Műanyagházas áramváltók szokásos hőállósági osztálya: „A” (105 °C)
- Műgyantaházas áramváltók szokásos hőállósági osztálya: „A” (105 °C) vagy „B” (130 °C)

### Próbafeszültség

Primer tekercses áramváltóknál a primer és a szekunder kapcsok között, valamint valamennyi kivitel típusvizsgálatánál (a külső részek alumíniumfóliába tekerése után) az alumíniumfólia és a kapcsok között 4 k<sub>Veff</sub> 50 Hz, 1 perc, szinuszos feszültséggel kell vizsgálni.

### Plombálhatóság

Azokat az áramváltókat, melyek alapján számlázás történik, illetéktelen hozzáférés ellen biztosítani kell. A műszerkapcsokat úgy alakítják ki, hogy bekötés után a kapcsokhoz a plomba eltávolítása nélkül ne lehessen hozzáférni.

## Az áramváltó hibái

Mint a legtöbb villamos mérőeszköz, teljesítményt vesz le a mért áramkörből, akkor használható, ha ez a terhelés a megengedett hibahatáron belül van. Amennyiben terhelés nem engedhető meg, más – például térerő mérésen alapuló – mérőeszközzel kell kiváltani. A mérés teljesítményszükséglete az $I^2 R$ képlettel számítható, ahol $I$ a mérőkörben folyó áram, $R$ pedig a mérőkör ellenállása (a szekunder tekercs, bekötő vezeték, és a mérőműszer ellenállásának összege).

### Áttételi hiba

Az áramváltónak mindig van áttételi hibája. Az árammérő transzformátor szekunder kapcsai a terhelő eszközzel (mérőműszerrel) majdnem rövidre vannak zárva. A szekunder $I_2$ áram a transzformátor szekunder tekercsében ${I_2}{R_2}$ ohmos és ${I_2}{X_2}$ induktív feszültségesést okoz. A terhelő kör impedanciája $Z_2$, a transzformátor szekunder kapocsfeszültsége $U_2 = {I_2}{Z_2}$. Ha ezt vektorosan hozzáadjuk a belső feszültségesésekhez, kapjuk az indukált feszültséget.

Abszolút rövidre záráskor az áramváltó áttételi hibája negatív. Ha a terhelő kör impedanciáját nulláról megnöveljük, az áttételi hiba negatív irányba eltolódik. Az eltolódás mértéke függ a terhelési fázisszögtől. A terhelő impedancia változásával változnak a gerjesztési viszonyok, és ezzel az áttételi hiba.

Javítása:

Az elméletileg számított menetszámon nem lehet változtatni, mivel nem egész számú menetet nem lehet feltekerni. A szekunder tekercset két (vagy több) huzallal tekerve, a huzalátmérők helyes megválasztásával, az egyik huzalból egy menettel kevesebbet tekernek fel. Így az ezen a huzalon folyó áram kisebb gerjesztést ad, mint ami a rajta folyó áramból következne.

### Szöghiba

Az áramváltónak mindig van szöghibája. Az árammérő transzformátor szekunder kapcsai a terhelő eszközzel (mérőműszerrel) majdnem rövidre vannak zárva. A szekunder $I_2$ áram a transzformátor szekunder tekercsében ${I_2}{R_2}$ ohmos és ${I_2}{X_2}$ induktív feszültségesést okoz. A terhelő kör impedanciája $Z_2$, a transzformátor szekunder kapocsfeszültsége $U_2 = {I_2}{Z_2}$. Ha ezt vektorosan hozzáadjuk a belső feszültségesésekhez, kapjuk az indukált feszültséget.

Abszolút rövidre záráskor az áramváltó szöghibája pozitív. Ha a terhelő kör impedanciáját nulláról megnöveljük, a szöghiba negatív irányba eltolódik. Az eltolódás mértéke függ a terhelési fázisszögtől. A terhelő impedancia változásával változnak a gerjesztési viszonyok, és ezzel a szöghiba.

### Kivezetések felcserélve

Áram mérésénél nem okoz problémát. Teljesítmény vagy munka mérésekor (különösen több áramváltó használata esetén), figyelembe véve az energiaáramlás irányát, fordított (tehát fogyasztás helyett termelésnek megfelelő előjellel) áramot ad a feldolgozó eszközre (műszerre). Ez a mérést teljesen meghamisítja.

Javítása:

- Ismert áramváltóval (ami hasonló vagy közel azonos primer és szekunder értékű) a primer tekercseket ugyanarra a hálózatra sorba bekötjük, és a szekunder tekercsek közé bekötünk egy ampermérő egyik ágát, míg másik ága lesz az áramváltókat terhelő műszerek közös pontja. Helyes kivezetés esetén a közös rövidre záró ágba kötött ampermérő a két szekunder áram különbségét mutatja, míg helytelen kivezetés esetén a két áram összegét.
- Wattmérővel: a feszültségi tekercsét közvetlenül tápláljuk, áramtekercsét egyszer közvetlenül, máskor áramváltón keresztül kapcsoljuk a mérendő körbe. Ha mindkét esetben azonos irányú a kitérés, a kivezetések jelölése megfelelő, ellenkező esetben fel vannak cserélve.

### Vezeték helyzetéből adódó hiba

Jól megtervezett áramváltó nem kényes a mérendő vezeték helyzetére. Egyes áramváltóknál előfordulhat, hogy a nem kellően elosztott szekunder tekercselés miatt kényessé válik a vezeték elhelyezkedésére. A szekunder tekercselést a lehető legnagyobb kerület mentén egyenletesen elosztva a hiba elhárítható.

## Számítógépes minőség-ellenőrzés

A BME által kifejlesztett berendezéssel történik. Témavezető dr. Zoltán István docens. A berendezés az OMH, Ganz Műszer Művek és az ELMŰ részére lett kifejlesztve. A berendezés a gyártási számmal megegyező műbizonylatot készít, melyen a pontossági osztálynak megfelelő tényleges áttételi hibát és szöghibát a névleges áram vizsgálandó pontjain számszerűsíti.

## A vonatkozó szabványok

- MSZ EN 60044-1
- EN-50081-1
- EN 50082-1
- EN 60044-6
- BS-3938
- DIN 42600