Akım Trafosu
Akım transformatörleri büyük akımları, dönüştürme oranına göre belirli oranda düşürerek ölçü ve koruma devrelerinde kullanılmasına olanak sağlar. Örneğin bir güç transformatörü şebekeden 600A çekiyorsa, bu değeri okumak için 600A akıma dayanıklı elektronik koruma rölesi imal edilmelidir. Böyle bir röle hem güvenlik riski yüksek, hemde boyut bakımından çok büyük olacağından akım transformatörleri sayesinde bu tip yüksek akımlar küçültülüp elektronik ortamda kullanılması sağlanıyor.
Akım Trafosu Yapısı
Akım transformatörleri çekirdeği primer sargı, sekonder sargı ve demir nüveden oluşur. Primer sargı kalın kesitli ve az spir sayılı, sekonder sargı ise ince kesitli, çok spir sayılı olarak imal edilmektedir. Primer sargı ile sekonder sargı birbirine zıt yönde sarılmıştır. Demir nüve bir tarafı yalıtılmış, 0,3 – 0,5 mm kalınlığında silisli sacların birleştirilmesiyle imal edilmektedir. Çekirdek, yalıtım tipine ve kullanım yerine göre Epoksi, PVC malzeme ya da Porselen dış gövde içerisine doldurulan yağ ile izole edilmiştir.
Akım trafosunda, yükün çektiği yüksek akımın geçtiği bir adet primer sargı, primer akımını sekonder sargısına aktarmak için demir nüve ve primerden geçen akımı küçültüp koruma rölelerine ve ölçü cihazlarına gönderen sekonder sargı mevcuttur. Akım trafolarının yapısı aşağıdaki gibidir;
Akım trafolarında P1 ve P2 uçları primer bağlantı noktalarını, S1 ve S2 uçları sekonder bağlantı noktalarını temsil eder. Bazı akım trafolarında primer bağlantı noktasını P1 ve P2 yerine “K” ve “L” (büyük harf), sekonder bağlantı noktalarını S1 ve S2 yerine “k” ve “l” (küçük harf) harfleri kullanılmaktadır.
Akım trafolarının şematik gösterimi aşağıdaki gibidir;
Akım Trafosunun Çalışması
Akım trafolarının primer sargısından geçen akım, demir nüve üzerinde hareketli bir manyetik alan oluşturur. Oluşan bu manyetik alan sekonder sargılarını keserek, sekonder sargılarında bir gerilim indükler.
Spir sayısını “N” ile gösterecek olursak;
Primer spir sayısı (Np) ile Sekonder spir sayısı (Ns)’ın, Primer akımı (Ip) ile Sekonder akımı (Is) arasındaki ilişki;
Ip x Np = Is x Ns ya da Ip/Is = Ns/Np oranına eşittir.
Ip/Is aynı zamanda akım trafosu dönüştürme oranını verir.
Akım trafoları primer sargısından geçen akımı dönüştürme oranına göre 0 ila 5 amper arası değere dönüştürür. Bu dönüştürme işlemi az önce bahsettiğimiz üzere Ip/Is oranına eşittir. Örneğin 600/5 değerindeki akım trafosu dönüştürme oranı 600/5 = 120’dir. Bu akım transformatörünün primer sargısından 600A akım geçtiğinde sekonder sargısından 600/120 = 5A akım verir demektir. Eğer 600/5 değerindeki akım trafosunun primerinden 480A akım geçerse sekonder sargısı 480/120 = 4A akım verir. Yani primer akımını dönüştürme oranına bölersek sekonderden alacağımız akımı buluruz. Ya da tam tersi olarak, sekonder sargısından aldığımız akımı dönüştürme oranı ile çarparsak, primerden geçen akımını elde ederiz.
Önemli Not!
Akım Trafolarında kullanılmayan sekonder uçlar kısadevre edilip topraklanmalıdır ve kesinlikle sekonder uçlarında sigorta kullanılmamalıdır!
Akım Trafosu Çeşitleri
Standart Akım Trafosu
Standart akım trafolarında bir adet primer ve bir adet sekonder sargı bulunur. Primer sargıdan geçen akım sekonder sargısında 0-5A ya da 0-1A seviyelerine dönüştürür. Yapısı aşağıdaki görseldeki gibidir:
Çift Primer Sargılı Akım Trafoları
Çift primer sargılı akım trafolarında iki adet primer sargı bulunmaktadır. Bu primer sargılar eşit spir sayısına sahiptir. Seri ya da paralel bağlanılarak primer akımı değiştirilebilir. Bu tür akım trafolarında 200-400/5 gibi bir ibare bulunur. Etiketinde 200-400/5 yazan bir akım trafosunda, eğer primer sargılar paralel bağlanırsa bu akım trafosu 400/5 oranında çalışır. Eğer primer sargılar seri bağlanırsa bu akım trafosu 200/5 oranında çalışır. Bu tür akım trafoları yılın belirli dönemlerinde çekilen akımın yüksek oranda değiştiği tesislerde kullanılır. Yalnızca akım trafosu köprüsü değiştirilerek primer akımı ayarlanabilir.
Çift Sekonder Sargılı Akım Trafoları
Çift sekonder sargılı akım trafoları primerinde tek sargı bulunmasına rağmen, sekonderinde iki ayrı sargı bulunur, bu sargılardan her ikisi de aynı sekonder akımı seviyesine sahiptir. Bu tür akım trafoları etiketinde örneğin 400/5-5 gibi bir değer görülür. Sekonder akım seviyesi her ne kadar aynı olsa da iki sargının gücü, sınıfı ve doyma katsayısı değeri farklıdır. Akım trafosu etiket değerlerinde örneğin class kısmında “Cl 5P-0.5” gibi bir değer yazılıdır. Bu class değerine göre anlaşılıyor ki, birinci sekonder sargı koruma amaçlı, ikinci sekonder sargı ölçü amaçlı kullanılabilmektedir. Çift sekonder sargılı akım trafolarında doyma katsayısı farklı olduğu için her bir sekonder sargıya ait ayrı bir demir nüve bulunmaktadır. Bu sebeple, bu tür akım trafolarına aynı zamanda “Çift Çekirdekli Akım Trafoları” da denilmektedir. Çift sekonder sargılı akım trafolarının yapısı aşağıdaki şekildeki gibidir.
Bara Tipi Akım Trafoları
Bara tipi akım trafoları daha çok AG ölçü ve koruma devrelerinde kullanılır. Primer sargı iletkeni baraya en yakın kesitte imal edilir ve doğrudan yüke seri bağlanır. Bazı tiplerde yalnızca sekonder sargı bulunur. Primer bağlantı noktaları bulunmayan akım trafolarında, enerji barası doğrudan sekonder sargının içerisinden geçirilerek kullanılır. Primer ve sekonder sargı arasında demir nüve haricinde elektriksel herhangi bir bağlantı bulunmaz.
Toroidal Akım Trafoları
Toroidal akım trafoları koruma devrelerinde toprak arızaları için kullanılır. Bu tür akım trafolarında 3 faz aynı akım trafosu içerisinden geçirilir. Fazlar arasındaki dengesizliği sezmek için kullanılmaktadırlar. Toprak arızalarında dengesizlik farkı düşük olduğu için, faz akım trafolarına göre daha düşük primer akım seviyesine sahiptir. Örneğin 600A primer akımına sahip bir barada kullanılan toroidal akım trafosunun primer akımı 10A olabilir. Bunun nedeni ise 3 faz aynı akım trafosu içinden geçirildiği ve fazlar arası 120 derece açı olduğu için, bu fazların manyetik alanları birbirini yok edecektir. Toprak arızasında, yalnızca arızalı fazın diğer fazlardan yüksek olarak çektiği akımın bileşkesi kadar akım çekileceği için, bu akım trafoları düşük güçte kullanılmaktadır. Eğer 100A primer akımına sahip bir barada, 100A toroidal akım trafosu kullanılırsa, arıza akımı anma akımının çok altında kalacağı için, sistem toprak arızalarını algılamayacaktır.
Toroidal akım trafolarının yapısı ve bağlantı şekli aşağıdaki gibidir;
Etiket Değerleri ve Akım Trafosu Seçimi
Akım trafosu üzerindeki etiket değerleri, bizlere akım trafosu seçiminde birçok bilgi sağlamaktadır. Bu bilgilere göre kullanacağımız akım trafosunu seçebiliriz. İşte bazı akım trafosu değerleri ve açıklamaları şunlardır;
Bu etiket değerlerinin açıklamalarına göz atalım.
Sekonder Anma Akımı
Sekonder anma akımı, akım trafosu sekonderinden alabileceğimiz akımı belirler. Bu akım değeri kullanacağımız koruma rölesine göre 0 ile 5A arası olabileceği gibi bazı özel durumlarda 0 ile 1A arası olabilir. Ölçü devrelerinde genellikle sekonder akımı 5A olan akım trafoları tercih edilir.
Primer Anma Akımı
Primer anma akımı tesisin kurulu gücüne göre seçilmektedir. Eğer tesis kurulu gücü 650 kVA ve bara gerilimi 34,5 kV ise, tesiste kullanılacak akım trafosu primer değeri I = S/(Ux1,73) formülünden,
I=650/(34,5×1,73) = 10,9 A olarak hesaplanır. Burada kullanılacak akım trafosunun primer akım değeri, 10,9 değerinin bir üst standardı olarak seçilir. Yani primer anma akımı 15A olan bir akım trafosu seçebiliriz. Kullanacağımız akım trafosu oranı 15/5 olarak belirlenir.
Doğruluk Sınıfı
Akım transformatörleri ölçü ve koruma transformatörleri olmak üzere 2 farklı şekilde imal edilirler. Koruma amaçlı akım trafoları daha çok, yüksek gerilim koruma sistemlerinde kullanılmaktadır. Ölçü akım trafolarını ise hem alçak hem de yüksek gerilim ölçü sistemlerinde kullanıldığını görürüz. Ölçü ve koruma akım transformatörlerini ayırt etmek için Class denilen doğruluk sınıfı değeri verilmektedir. Buna göre ölçü transformatörlerinde Class değeri genelde 0.1, 0.2, 0.2s, 0.5, 0.5s ve 1 değerindedir. Koruma akım transformatörlerinde ise Class değeri 5P ve 10P olarak verilmektedir. Sınıfına göre akım trafoları doğruluk yüzdesi aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Yukarıdaki tabloda belirtilen class değerleri ölçü amaçlı kullanılan akım trafoları içindir. Aşağıdaki tabloda ise koruma amaçlı kullanılan akım trafolarının class değerleri ve doğruluk oranları mevcuttur.
Doyma Katsayısı
Ölçü ve koruma akım transformatörleri arasındaki bir başka fark ise, koruma akım transformatörlerinin doyma sınırı daha yüksektir. Ölçü transformatörlerinde doyma katsayısı n<5 iken, koruma transformatörlerinde doyma katsayısı n>10’dur. Doyma katsayısı, maksimum primer akımı ile çarpılır ve çıkan sonuç doyma akımını verir. Doyma akımı demir nüve üzerinde oluşabilecek maksimum manyetik akı ile alakalıdır. Eğer demir nüve doyum noktasına ulaştıysa, primer akımı ne kadar yükselirse yükselsin, sekonder akımı sabit kalır.
Sekonder Gücü
Akım trafoları sekonder gücü doyma katsayısı üzerinde etkilidir. Bu sebeple, kullanılacak olan akım trafosu, sekonderine bağlanacak cihazın gücüne göre seçilmelidir. Eğer 5VA güce sahip bir sayaç için 15VA gücünde bir akım trafosu kullanırsak, akım trafosu doyma oranı 15/5 = 3 kat artacaktır.
Akım trafoları için standart anma güçleri; 2,5, 5, 10, 15, 30, 60, 100 VA’dir.
Akım trafosunun sekonder gücü seçilirken, toplam bağlanacak cihaz gücü ile iletken kaybı toplanarak hesaplanır. Örneğin bir akım trafosuna, 10VA sayaç, 5VA ampermetre bağlamak istersek bu akım trafosunun gücünü 15VA olarak seçmeliyiz. Eğer akım trafosu ile cihazlar arasındaki iletken üzerindeki güç kaybının da 4VA olduğunu düşünürsek, toplam gücü 15+4 = 19VA olarak hesaplayabiliriz. Biz burada akım trafosu gücünü seçerken, 19VA değerine en yakın standart güç değerini seçmeliyiz. Bu hesaplara göre seçeceğimiz standart güç değeri 20VA olabilir.
Aşağıdaki tabloda bazı ölçü/koruma cihazlarına ve iletken uzunluklarına göre güç hesabı verilmiştir.
Termik Dayanım Akımı
Termik dayanım akımı “Ith” ile gösterilir. Bir akım transformatörünün sekonderi kısadevre iken, 1 saniye boyunca hasar görmeden dayanabileceği primer akımının efektif değeridir. Bu değer, primer akımının 40 katından düşük olmamaktadır. Dağıtım tesislerinde kullanılan akım transformatörünün, kullanılacağı tesisin projesinde hesaplanan kısadevre akımından düşük olmaması koşuluyla, en az 16 kA olarak seçilir.
Ith = In x (100, 200, 300, …. , 1200) şeklinde hesaplanır.
Dinamik Dayanım Akımı
Dinamik dayanım akımı “Idn” ile gösterilir. Dinamik dayanım akımı, kısadevre akımının ilk periyotunda çekileceği akıma dayanması için gerekli değerdir. Bilindiği üzere kısadevre anında, kısadevre akımının ilk periyotunda çekilen akım maksimum seviyeye çıkar. İlk periyottaki kısadevre akımının sargılar üzerindeki itme-çekme kuvveti ve manyetik nüve üzerindeki manyetik alan maksimum seviyededir. Akım trafosu, bu kısadevre akımına karşı dayanım göstermesi gerekmektedir. Bu değer standart olarak Ith termik dayanım akımının 2,5 katı (Ith x 2,5) olması beklenmektedir. Kısadevre akımı ilk periyot sonrasında kademeli olarak azalmaktadır.
İşletme, 1 Dakika Süreli ve Darbe Gerilim Seviyeleri
İşletme gerilim seviyesi, bir akım trafosunun normal şartlar altında sürekli olarak çalışması gereken gerilim seviyesini belirler.
1 Dakika Süreli gerilim seviyesi, akım trafosunun maksimum 1 dakika süresince dayanım göstermesi gereken gerilim seviyesini belirtir.
Darbe gerilim seviyesi ise, anlık olarak maksimum gerilimi altında çalışabileceği darbe gerilimini belirtir.
Bu gerilim seviyeleri 3 fazlı sistemler için Faz-Faz arası gerilim seviyesini ifade eder.
Akım Trafolarında Polarite Tayini
Polarite tayini basit bir yöntem ile yapılabilir. Eğer pirimer sargısına enerji P1 girişinden giriyorsa, sekonder polarite olan uç S1 ucudur. S2 ucunda polarite olmadığı için topraklanır.
Eğer akım trafolarında polarite uçlarını bulamıyorsak ya da uçların etiketi yoksa, analog ölçü aleti buton ve pil kullanarak polarite tayini yapabiliriz. Bunun için şekildeki devre kurulur ve polarite tayin işlemi yapılır.
Şekildeki devrede pilin + ucu bir buton üzerinden herhangi bir primer sargı girişine bağlanır, pilin – ucu ise boşta kalan primer sargı girişine bağlanır. Ardından analog ölçü aletinin + ucu herhangi bir sekonder çıkışına bağlanır, – ucu ise diğer sekonder çıkışına bağlanır.
Butona bastığımızda analog ölçü aletinin ibresi eğer sağ tarafa (pozitif tarafa) sapma yaparsa, pilin + ucunun bağlandığı primer sargı ucu ve ölçü aletinin + ucunun bağlandığı sekonder sargı ucu polarite olan uç olarak işaretlenir. Eğer ölçü aleti ibresi sol tarafa (negatif tarafa) saparsa, pilin + ucunun bağlandığı primer ucu ve ölçü aletinin – ucunun bağlandığı sekonder ucu polarite uçları olarak işaretlenir.