Akım Trafosunun Primerinden Geçen Akım

Yük akışı analizi sonrası akım trafosu primerinden 320 A yük akımı geçsin. Yük akımı değeri %20 artırılıp primer akımı belirlenir.

Yük akımı x 1.20 = 320x1.2=384A akım trafosu primer akımıdır. Standarta uygun nominal değer 400A seçilebilir.

Sekonder Akım 

Akım trafosuna bağlanacak koruma cihazlarının, kabloların, klemenslerin dirençlerine bağlı güç kaybı dikkate alınarak akım trafosuna yakım mesafe monteli cihazlar için 5A, uzak mesafede bulunanlar için güç kaybını azaltmak adına 1A seçilir.

Şu an için akım trafosu 400/5 seçilsin.

Akım Trafosu Termal Dayanım

Termal dayanım akımı,  sistemdeki kısa devre akımının 1 saniye veya 3 saniye boyunca trafo sargılarını yakmadan geçebileceği maksimum değerdir. Akım trafosunun termal dayanım akımı şebekenin maksimum kısa devre akımından büyük olmalıdır.

Sistemdeki maksimum kısa devre akımı ( Initial Symmetrical Short Circuit Current - IEC60909) göre seçilir. Kısa devre akımının akım trafosunun primerinden geçmesi durumunda yanmaması gerekir. Termal dayanım değeri, trafonun bir arıza anında sargılarının erimeden dayanabileceği termik sınırı temsil eder.

Sistemde kısa devre 12kA olsun. 

I_th(Akım Trafosu) > 12 kA olmalı. Piyasada 6,3kA, 10 kA,  12.5 kA, 16kA, 25 kA vb. termal dayanıma sahip akım trafoları bulunur. Bu örnekte 16 kA seçilsin.

Dinamik Dayanım Akımı 

Kısa devrenin ilk tepesindeki (peak) manyetik kuvvetlerin trafoyu fiziksel olarak parçalamaması için gereken dayanımı ifade eder.

I_dyn=2,5 x I_th 

Bu durumda akım trafosu I_th=16 kA ise I_dyn=40 kA olur.

Accuracy Limit Factor 

Akım trafosunun demir nüvesi, üzerinden geçen akım çok yükseldiğinde manyetik olarak doyuma ulaşır. Doyuma giren bir trafo, primerdeki akım artsa bile sekondere akım gönderemez. Koruma rölesinin, 12 kA'lik bir arıza anında "Bu 12 kA, hemen açma yapmalıyım" diyebilmesi için trafonun doyuma girmemesi gerekir.

n=12000A/400A=30 

Arıza anında kısa devre akımı, trafonun 400A nominal akımının 30 katına çıkıyor demektir. 

5P10 yani ALF=10 değerine sahip bir akım trafosu seçilirse bu trafo 10x400=4000A değerine kadar %5 hata ile doğru ölçüm yapar. ancak 12kA'de doğru ölçüm yapamaz. 12kA'de trafo doyuma girer ve sekonder çıkış bozulduğundan röle arızayı algılayamaz. Bu durumda koruma rölesi akımı "sıfır" veya "çok düşük" görür ve devreyi açmaz. Çok yüksek kısa devre akımlarının beklendiği yerlerde (ana trafo çıkışları gibi), trafonun doyuma girmemesi için yüksek ALF değerine sahip trafolar seçilir.

5P30 seçilirse 30x400A=12kA de %5 hata ile ölçüm yapar ve röleye bilgiyi gönderir. Röle burada 12000-12000x0.05= 12000-600=11400A ve 12600A arası değerlerde açma komutunu kesiciye gönderir.

10P40 da seçilebilir. Bu durumda 40x400=16kA'e kadar %10 hata ile ölçüm yapılır. 


Mevcut durumda,

16kA (1sn) / 40 kA = I_th/I_dyn
400/5 
5P30 

koruma amaçlı akım trafosu seçilmiş olur.


400/5 Yerine 750/5 Akım Trafosu Seçimi

Sistemdeki maksimum kısa devre akımı 12 kA ve 400/5 yerine  750/5 A bir akım trafosu seçilirse güvenli bölgede kalınır. 

12000A/750A=16 

Arıza akımı nominal akımın 16 katı olur. Bu durumda 5P30  (30x750 = 22kA) yerine  5P20 (20x750=15kA >12kA) akım trafosu seçilebilir. Yani 750/5 5P20 akım trafosu seçilebilir. 

12 kA kısa devre akımı altında, 400/5 trafo tam 30 kat (12000/400) zorlanırken; 750/5 trafo sadece 16 kat (12000/750) zorlanır. Bu durum, trafonun 5P20 gibi standart bir sınıfla bile doyuma girmeden çok daha rahat çalışmasını sağlar.

750 A primer sargıları, fiziksel olarak 400 A sargılarına göre daha kalındır. Bu da yüksek kısa devre akımlarında trafonun sargılarının erime riskini (termik zorlanmayı) azaltır.

Akım trafosu oranı büyüdükçe ve kısa devre dayanımı I_th arttıkça içindeki bakır ve nüve miktarı artar, cihaz ağırlaşır ve pahalılaşır.

Akım trafoları en yüksek hassasiyeti nominal akımlarının %20 ile %120'si arasında verirler. 400/5 için 320 A, nominalin %80'idir.750/5 için 320 A, nominalin sadece %42'sidir.

Koruma rölesi, sekonder akımı üzerinden işlem yapar. 320 A geçerken 400/5 trafo sekonderden 4 A gönderir. 750/5 trafo sekonderden 2.13 A gönderir. Düşük akımlarda (örneğin toprak kaçağı arızalarında), rölenin algılaması gereken sinyal çok küçüldüğü için dijital rölelerde sorun oluşturmasa da koruma hassasiyeti azalabilir.

Sekonder Akımı

400/5 akım trafosu ve etiketinde 5P20 yazsın bu durumda primerden geçebilecek kısa devre akımı 400x20=8000A'dir. Sekonder akımı primerle orantılı artar ve 8000/80=100A olur. 12kA arıza akımı olduğunda 12000/80=150A sekonder akımı olması gerekir ancak trafo doyuma girer ve manyetik nüve artık daha fazla manyetik akıyı taşıyamaz. Sekonderden 150 A geçmez. Nüve doyduğu için dalga şekli bozulur ve sekonder akımı örneğin 110-120 A civarında "kırpılır" veya kalır. Yani primer %50 artsa bile sekonder o oranda artamaz.

400/5 Yerine 600/5 Akım Trafosu Seçimi

600/5 ve 5P20 seçildiğinde, trafo 12 kA'lik arızayı zorlanmadan karşılar. ALF değeri (20 kat) tam olarak ihtiyacını karşıladığı için doyma riski minimize edilir. Bu, koruma açısından daha sağlam bir çözümdür. Ancak toprak arıza akımının örneğin 60 A olduğu varsayılırsa  400/5 trafo sekondere 0.75 A gönderir. 600/5 trafo sekondere 0.5 A gönderir.

Akım trafosu oranını ne kadar büyütülürse, röleye giden sinyal o kadar küçülür. Çok hassas ayar gerektiren koruma fonksiyonlarında, oran büyüdükçe dijital rölelerde koruma engellenmez ancak  marj daralır.

Piyasada 5P30 sınıfı trafo bulmak, 5P20 bulmaktan çok daha zor ve pahalıdır. Ayrıca 5P30 trafoların iç empedansları yüksek olabilir.



PX Sınıfı Trafo

Akım trafosu standartlarında (özellikle IEC 61869-2) tanımlanan, özel amaçlı koruma sınıfıdır. Standart 5P20 gibi sınıflar hata payı ve katsayı (ALF) üzerinden tanımlanırken, PX sınıfı doğrudan trafonun "Diz Noktası Gerilimi (V_k)" ve sekonder sargı direnci yani trafo iç direnci (R_ct) üzerinden tanımlanır. ALF'de doyma için yaklaşık tahmin yapılırken PX Sınıfı trafo ile  trafonun tam olarak ne zaman doyacağı hesaplanabilir.

Standart trafolar (5P10, 5P20), kısa devre anında belirli bir hata payını garanti eder ancak çok hassas koruma sistemlerinde özellikle Diferansiyel Koruma ve Yüksek Empedanslı Toprak Koruma) iki trafonun birbirine tam uyumlu olması gerekir. İki trafo arasında milisaniyelik bir doyma farkı olursa, röle bunu arıza zanneder ve sistemi hatalı açar. PX sınıfı, trafonun karakteristiğini matematiksel olarak net tanımlar ve  bu trafonun hangi gerilimde doyuma gireceği tam olarak hesaplanabilir.

Diz Noktası Gerilimi, trafonun doyuma girmeye başladığı kritik geilim seviyesidir. Eğrinin büküldüğü kritik eşiktir. Gerilimdeki %10'luk bir artışın, akımda %50'lik bir artışa neden olduğu noktadır.

Mıknatıslanma Akımı, diz noktası gerilimindeki maksimum kabul edilebilir hata akımıdır. Sekonder Sargı Direnci, trafonun Ohm cinsinden)kendi iç direncidir. 

Diferansiyel korumada, bir arıza anında trafonun sekonderinde oluşan gerilim, bağlı olan kablo ve röle direncine bağlıdır. Arıza anında sekonderde 100 Volt oluşursa ve  PX sınıfı trafo diz noktası= 150 Volt ise; trafo hala güvenli bölgede (doğrusal) olduğundan röleye doğru bilgi gönderir. ALF=5P20'de bu gerilim hesabını yapmak bu kadar net değildir.