Akım Trafolarında Ölçü ve Koruma Sınıfı Seçimi

Genel Bilgi

Ölçü ve koruma sistemlerinde akım trafoları, yüksek akımları güvenli ve işlenebilir seviyelere indirir ve sekonderine bağlı cihazları besler. Sekonder akımı 61869-2 standartına göre 1A ve 5A olabilmektedir. 

Akım trafosu devrede iken sekonder kısmın açık devre olması insan hayatı ve bağlı cihazlar açısından tehlike oluşturur. Panoda devredeki bir akım trafosuna dokunma durumunda sekonderine cihazların bağlı olduğundan emin olunmalıdır. 

200/5 oranlı bir akım trafosunun primer sargısından 200 A geçmesi halinde bu oran dahilinde sekonderden 5A geçer. 100A geçerse 100/40=2.5A sekonderden geçecektir. Akım trafosu akımların %20 fazlasına kadar yüklenebilir. Akım trafosunda akım primerin polarite ucundan ve sekonderde de polarite ucundan girer ve polarite olmayan uçlardan çıkar. 

Sekonder Akımı Seçimi

Sekondere bağlanacak ampermetre, voltmetre, sayaç, enerji analizörü gibi yük (VA) değeri akım trafosunun gücünden fazla olmamalıdır. \(S = {I^2}Z\) ile yük hesaplanabilir. Dijital veya elektromekanik olmasına göre ölçüm cihazları genelde 0.1-1,5VA, röleler 0,1-30VA arasında akım trafosundan yük çeker. Akım trafosu ile cihaz arasında kablo ve klemenslerden kaynaklı da bir güç düşümü olur.

Örneğin 2,5 mm2 kesitli bir PVC kablonun  direnci km başına 7,41 ohm olsun. Sekonder akım 5A seçilirse  direnç değeri 1 metrede alınırsa güç kaybı metre başına yaklaşık 25x0,00741=0,18VA olur. Ancak örneğin 500 metre olduğu varsayılırsa 90VA güç kaybı olacağından örneğin 15VA bir akım trafosu baz alındığında akım trafosunun gücünü  oldukça aşar. Sekonderi 1A olan akım trafosunun 500 m'de kullanılması durumunda 500x1x0,00741=3,705 VA güç kaybı oluşur. Bu nedenle şalt sahası gibi akım trafosu ve koruma cihazı ya da ölçüm cihazı arasında mesafe uzaksa 1A akım trafosu kullanılmalıdır. Pano içinde sekondere yakın ölçü ve koruma cihazları varsa  sekonder akımı 5A seçilir.

Koruma Sınıfı

Örnek : 100/5 çevirme oranında 5P10 koruma sınıfında  akım trafosu olsun.

Primerden 100A akarken sekonderden 5A çıkması beklenir. Kısa devrede primerden geçen akım 10 katına çıkarak 1000 A olsun sekonderden aynı oranda 20'de biri 50A akım geçer. 5P10 olduğundan sekonder akım olması gerekenden %5 sapabilir. Yani 50x0,05=2,5A sapar ve hata payı %5 ile temsil edilir. Sekonderden akacak akım 50-2,5=47,5A ya da 50+2,5=52,5A arasında olur.

P ifadesi protection kısaltması olduğundan koruma sınıfı olduğunu ifade eder. 

10 ifadesi primer akımın 10 katına kadar trafonun lineer kalacağını söyler. Eğer akım 1000A yerine 1500A'e çıksaydı (15 katı), trafo "doyuma" gireceği için hata payı %5'in çok üzerine çıkar, röle yanlış ölçüm yapmaya başlar.

Sistemde kısa devre akımı aktığında akım aniden normal değerin 10-20 katına çıkabilir. 5P5 akım trafosu bu durumda kullanılırsa,  akım 10 katı olan 1000 A kısa devre akımı olsun, akım 5 katına çıktığında yani 500A de trafo doyuma girer ve sekonder akımı artmayı durdurur. Bu durumda sekonderde 25-30A röle tarafından algılanır. Rölenin set değerine göre yine röle bu 25A'de de açma komutu gönderir. Ancak röle 50A yerine 25A hissederse, arızayı olduğundan daha "küçük" sanır. Ters zamanlı bir röle 0.1 saniyede açması gerekirken, 0.5 saniyede açar. Bu 0.4 saniyelik gecikme, kabloların veya trafonun zarar görmesi (yanması) için yeterli bir süredir. Rölede ani açma değeri 40A'e set edildiyse ve akım trafosu doyma yüzünden 25A'de takılı kaldıysa, röle asla ani açma yapmaz. Sadece zaman gecikmeli açma yapar, bu da arızanın sistemde çok uzun süre kalmasına neden olur.

Özetle 1000 A kısa devre akımında 100/5 akım trafosu 5P10 yerine 5P5 koruma sınıfı ile bağlanırsa röle kesicinin geç açmasına veya koordinasyonun bozulmasına yol açar. Elektrik güç sistemlerinde milisaniyelerin bile önemi olduğu düşünülürse, geç açma yapmak ile hiç açmamak bazen  ekipmanın yanmasıyla sonuçlanabilir.

Burada bir soru sorulabilir. Akım trafosu sekonderin röleye gelmesi gereken akım 5A ise  röleye 50A gelirse röle yanmaz mı. Röleler, kısa devre anında oluşacak yüksek akımlara (örneğin nominal akımın 20, 40 veya 100 katına) 1 saniye veya 3 saniye boyunca dayanacak şekilde üretilir. Dijital rölelerde, sürekli 2xIn (10A), 1 saniye boyunca 100xIn (500A) dayanım gibi ifadeler yer alır. 

Ölçü Sınıfı :

Müsade edilen hata sınırları anma akımı yüzdelerine göre oran hataları ve faz açısı hataları tablosu IEC 61869-2 Tablo 201'de verilmektedir. Faz açısı hatası, primer akım vektörü ile 180 derece döndürülmüş sekonder akım vektörü arasındaki farktır. Eğer bu fark centiradian cinsinden hesaplanırsa, akım trafosunun toplam bileşik hatasını hesaplamak matematiksel olarak çok daha kolay hale gelir.

Anma akımı yüzdelerine göre akım trafosu oran hataları ve faz açısı hataları tablosu

Ölçü amaçlı olarak kullanılan 0,2s sınıfı bir akım trafosu, anma akımının %5'inde çalışıyor ise çevirme oran hatası %0,35 gibi bir değer alır. Anma akımının %100'ünde çalışıyor ise oran hatası %0,2 olacaktır.

Tabloya göre, "S" sınıfı akım trafosu %1 yükte bile %0.75 hata ile çalışmakta ancak standart 0.2 sınıfı akım trafosu bu kadar düşük akımlarda test bile edilememektedir.

Özellikle güç (Watt) ve enerji (kWh) ölçümü yapan sayaçlarda faz açısı hatası önemlidir. Eğer faz hatası yüksekse, sayaç reaktif gücü yanlış ölçebilir. 0,2 sınıfı bir ölçü trafosunda faz açısı hatası dakika cinsinden %5 yükte 30 derece iken 0.2s sınıfı trafoda 15 dakika ya da centiradian'a çevrildiğinde 0,45 olacaktır.

Genel olarak özetlenirse Türkiye'de akım trafosu ölçü cihazları, koruma durumu ve doyma katsayısına göre seçilir.