Bağlı oldukları devreden geçen akım, istenilen oranda küçülterek, bu akımla sekonder terminallere bağlı aletleri besleyen ve onları yüksek gerilimden izole eden özel trafolara, akım trafoları denir.
2.1. Akım Trafolarının Yapısı
En basit haliyle Şekil – 1’de gösterilen bir akım trafosu, şu parçalardan oluşur:
İzolasyon, yağlı tip akım trafolarında yağ ile, kuru tiplerde ise sentetik reçine ile sağlanır. Primer sargı, bir tur olabileceği gibi 250 sarıma kadar çıkabilir.
Sekonder sargı, 50 turla 250 tur arasında akım trafosunun gücü ile değişen sarım sayısına sahiptir. Manyetik nüve, kristalleri yönlendirilmiş, özel silisli saçtan yapılmıştır.
2.2. Akım Trafolarında Nominal Akımların Tanımı
Şekil – 3’de P1-P2 ile gösterilen primer sargı, primer devreye bağlanır. Primer sargıdan geçecek akımlar, standartlarda belirtilmiştir. Türk standartlarına göre, 10-12, 5-15-20-25-30-40-50-60-75A veya bunların on katları ve ondalıkları kullanılır. Altı çizili olan değerler, en çok kullanılanlardır.
Sekonder devreden geçecek akım da gene Türk standartlarına göre, 5A, 2A ve 1A değerlerinden biridir. En çok 5A değeri kullanılmaktadır.
Akım trafoları devrede iken, sekonder devre kesinlikle açılmaz. Açılması halinde, sekonder devrede, insan yaşamı ve cihazlar açısından tehlike arz edecek büyüklükte gerilimler oluşur.
2.3. Akım Trafolarında Oran
Akım trafolarının kullanım amaçlarından birinin, primerden geçen akımın belli bir oranda küçülterek, sekonder devreye bağlanan cihazlardan geçmesini sağlamak olduğu, daha önce belirtilmişti. Primerden geçen akımın, sekonder akıma bölümüne, akım trafosunun çevirme oranı (ATO) denir. 400/5 oranlı bir akım trafosunun primerinden 400 A akım geçtiği zaman sekonderinden 5 A geçecek demektir. Burada oran, ATO = 400/5 = 80’dir. Aynı akım trafosunun primerinden 100 A akım geçtiğinde, sekonderden, 100/80 = 1,25 A akım geçer. Akım trafosunun oranı belirtilirken, 400/5 A veya 150/1 A şeklinde yazılmalıdır. Böylece akım trafosunun oranı belirtilirken aynı zamanda primer ve sekonder nominal akımlar da verilmiş olur. Akım trafoları, nominal akımlarının % 20 fazlasına kadar yüklenebilirler. Örneğin, 400/5 A oranlı bir akım trafosunun primerinden 480 A geçirildiğinde herhangi bir tehlike söz konusu olmaz. Bu durumda, sekonderden de 6 A geçecek demektir.
2.4. Akım Trafolarında Oran Testi
Akım trafolarında oran testi yapmak için, primer akımın an az % 10’unu verebilecek bir akım kaynağı, primer ve sekonder sargı akımlarını ölçebilecek iki ampermetre ve bağlantı kabloları gereklidir.
Şekil – 2’de bir akım trafosunun oran testi için devre şeması verilmiştir.
Gerilimi, akıma dönüştüren akım kaynağı, varyak tarafından kontrol edilerek istenen akıma ayarlanır. Gerilim devresindeki dalgalanmalar, akım devresine de geçeceğinden, primere bağlı ampermetre ile sekondere bağlı ampermetre aynı anda okunmalıdır.
2.5. Akım Trafolarında Polarite
Bir çok hallerde, özellikle watmetrik ölçülerde, akımın giriş yönü önemlidir.
Gerek doğrudan gerekse akım trafosu üzerinden yapılan bağlantıda akımın polarite ucu bilinmelidir. Akım trafolarında, akımın, primerde girdiği ve sekonderde çıktığı uçlara, polarite uçlar denir. Primerde polariteyi P1 ile veya K ile göstermek mümkündür; buna göre, sekonder polarite uç da s1 ile veya k ile gösterilir. Polarite olmayan uçlar, primerde, P2 veya L; sekonderde, s2 veya 1 ile gösterilir.
Şekil – 3a’da doğrudan bağlanan, Şekil – 3b’de ise, bir akım trafosu üzerinden beslenen bir watmetrenin bağlantı şeması gösterilmiştir.
2.6. Akım Trafolarında Polarite Tayini
Polarite uçları bilinmeyen bir akım trafosunun, polarite uçlarını bulmak için, Şekil – 4’de görüldüğü gibi, primer sargı uçlarına, bir pil, bir anahtar ile seri bağlanır. Sekonder sargı uçlarına ise, bir D.A. ampermetre bağlanır.
Ampermetrenin 100 mA kademesi, yapılacak ölçme için uygundur.
Test, anahtarı birkaç saniye süreyle kapalı tutup, kapama esnasında ampermetre ibresinin, sapma yönünü gözlemesinden ibarettir, (Anahtarın kapatılması ve tekrar açılması esnasında ibrenin sapma yönü birbirine ters olacağından, anahtarın birkaç saniye süreyle kapalı bırakılması önerilmiştir;
Anahtarın kapatılması anında, ölçü aleti doğru yönde sapma göstermişse, pilin ve ampermetrenin (+) uçlarının bağlı olduğu primer ve sekonder uçlar, polarite uçlardır. Şekil – 4a’da görüldüğü gibi, bu uçlar, P1 ve s1 diğer uçlar da P2 ves2 harfler ile işaretlenir. Eğer anahtarın kapatılması anında, ibre ters yönde sapmış ise, bu takdirde, ampermetrenin (+) ucunun bağlı olduğu sekonder sargı ucu primerde, pilin (-) ucunun bağlı olduğu uca karşılık düşer. Bu halde, işaretleme, Şekil – 4b’deki gibi yapılır.
Uçları işaretli bir akım trafosunun, doğru işaretlendiğinden emin olmak amacıyla, polarite testi yapılırsa ve test sırasında; P1 ucu, pilin (+) ucuna; s1 ucu, ampermetrenin (+) ucuna bağlanmışsa, anahtarın kapatılması anında, ibre, doğru yönde saparsa, uçlar doğru işaretlenmiş, ters yönde saparsa, uçlar yanlış işaretlenmiş demektir.
2.7. Akım Trafolarının Şematik Gösterilişi
Şekil – 5 a ve b’de akım trafolarının tek hat; c, d ve e’de ise gelişim şemalarında gösterilişi verilmiştir. TEK’de en çok, Şekil –5 a ve c’deki gösterilişler kullanılmaktadır.
2.8. Akım Trafolarında Bağlanacak Yük
Akım trafolarının, tüm trafolar gibi, kendisinden beklenen görevi yerine getirmeleri için gerekli şartlardan biri de sekonder devreye bağlanacak yükün, etiketinde yazılan değerden fazla olmamasıdır.
Sekonder devreye bağlanacak yük, VA cinsinden verilir. Empedans biliniyor ise, N = I2.Z bağlantısı ile yük hesaplanabilir.
Akım trafolarının yükü gücünü belirleyeceğinden bağlanacak sekonder teçhizatın özelliğini bilmek gerekir. Çok kullanılan teçhizattan belli başlıcalarının yükleri şöyledir.
Ampermetre, Sayaç, Voltmetre : 0,5 – 1,5 VA Aşırı Akım Röleleri (Endüksiyonlu) : 5 – 20 VA Mesafe Koruma Röleleri : 20 – 30 VA
Akım devresinde kullanılan kablolar uzun ise yük yönünden etkileri incelenmelidir. 4 mm2 kesitli bakır kablonun 1 metresinin direnci 0,00446 Ω’dur. İletkenden 5 A akım geçerken 1 m kabloda harcanacak güç N = I2.R = 52 x 0,00446 = 0,1115 VA’dir. 50 m uzunlukta bir kablo için bu güç 5,58 VA’dir. Bu önemli olmayabilir. Oysa 500 m için bu güç 55,8 VA eder ki akım trafoları için büyük bir değerdir. Aynı devrede, sekonderi 1 A olan akım trafosu kullanılsaydı, kabloda harcanacak güç:
N = I2 x 0,00446 x 500 = 2,23 VA olurdu.
2.9. Çok Oranlı Akım Trafoları
Akım trafolarının primer sargılar, değişik bağlantı şekilleri ile değişik primer akımlarında kullanılabilir. Şekil – 6’da görülen akım trafosu (a) bağlantısında 400/5, (b) bağlantısında 200/5, (c) bağlantısında ise 100/5 oranı ile kullanılabilir.
Şekil – 7’de ise oranı sekonderden değişen akım trafosu görülmektedir.
Böyle bir trafoda sadece bir oran kullanılabilir ve kullanılmayan uçlar kısa devre edilmez. Aynı akım trafosunda hem primer hem sekonderden oran değişikliği yapılabilir. Bağlantı şekilleri etiketlerde bulunur. Yukarıdaki düşünce şekli ile deneyle de bulunabilir.
2.10. Akım Trafolarında Doyma
Akım trafolarının % 120’ye kadar yüklenmeleri halinde hataları sınıfları içinde kabul edilir. Ancak arıza sırasında, primerden büyük akımlar geçeceğinden kullanılış amacına göre sekonderden aynı orandaki akımın geçmesi istenmeyebilir. Ölçü aletleri normal işletme şartlarında çalıştıklarından % 120’den daha çok yüklenecek şekilde imal edilmezler. Bu yüzden büyük akımlar ölçü aletlerinde hasara yol açabilir. Bunun için ölçü devresinde kullanılan akım trafolarının sekonder akımlarının nominal akımın 5 katından büyük olması istenmez. Nominal akımın 5 katından önce manyetik çekirdeği doyan bir akım trafosu bunu gerçekleştirir. Koruma devrelerinde kullanılan koruma röleleri ise arıza sırasında çalıştıklarından rölelerin seçiciliğini sağlamak amacı ile nominal akımın en az 10 katına kadar çevirme oranının bozulmaması gerekir. Yani bu amaçla kullanılan akım trafoları nominal akımın 10 katına kadar doymayacak şekilde imal edilirler. Bu durum akım trafolarının etiketlerinde, n<5, n>10 şeklinde belirtilir. N<5 ölçü amaçlı akım trafosu, n>10 ise koruma amaçlı akım trafosu anlamındadır.
2.11. Akım Trafolarında Doyma Eğrilerinin Çıkarılması
Akım trafolarının etiketinde yazan (n<5 veya n>10 şeklinde) doyma katsayıları, gerekli hallerde test edilerek bulunmalıdır. Bunun için Şekil – 8’de gösterilen devre kurulur.
Şekil – 4’de örnek olarak alınan çift sekonderli akım trafosunun bir sekonderine, varyak ile sıfırdan başlamak üzere gerilim uygulanır. Primer ve diğer sekonder açık durumdadır. Ampermetre ve voltmetreden okunan akım ve gerilim değerleri belli aralıklarla tespit edilip yazılır. Güvenli bir değer elde etmek için 1 A’e kadar çıkmak genellikle yeterlidir. Elde edilen değerler ile milimetrik kağıda grafik çizilir, (Şekil – 9).
Akımın ilk değerleri için gerilimin artışları oldukça lineerdir. Akımın % 50 artışına karşı, gerilim artışının % 10’a düştüğü noktaya (diz noktası, Kn) karşı düşen akım değeri, doyma değeridir.
Örnek: 200/5 – 5 A; 30 + 30 VA; 1 + 3 sınıfı; n<5, n>10 olarak verilen bir akım trafosunun testi sonunda, ölçü devresi için diz noktası, 200 mA’e karşılık 11 volt; koruma devresi için 400 mA’e karşılık 65 volt olarak bulunmuştur.
Ölçü devresi için doyma değerinin bulunması: Nominal yükünde sekonder direnç;
I2nom . R = Nnom ; R = 30/25 = 1,2 Ω
Akım trafosunun sekonder iç direnci, R = 0,2 Ω ölçülmüştür.
Toplam direnç, R = 1, 2 + 0, 2 = 1,4 Ω dur.
Doyma anında sekonderden geçecek gerçek akım;
Idoyma = 11/1,4 = 7,9 A’dir.
Idoyma 7,9
Bunu nominal akımına oranlarsak, n = --- = --- = 1,6 < 5 dir.
Inom 5
Koruma devresi için doyma noktası: Ri = 0,1 Ω bulunmuştur. Toplam direnç, R = 1,2 + 0,1 = 1,3 Ω; Idoyma = 65/1,3 = 50 A; doyma;
Idoyma 50
N = --- = --- = 10 ≥ 10 bulunmuş olur.
Inom 5
Bu test ile hem uçları işaretlenmiş akım trafolarının ölçü ve koruma devreleri bulunmuş hem de etiket değerleri kontrol edilmiş olur.
2.12. Akım Trafolarında Termik ve Dinamik Dayanım
Termik Dayanım Akımı: Bir akım trafosunun, bir saniye süreyle hasar görmeden taşıyabileceği maksimum akımın efektif değeridir.
Bu değer, akım trafosunun imal edildiği standarda bağlı olarak nominal akımın 40, 100 katı arasında olabilir. Akım trafosunun etiketinde verilir.
Dinamik Dayanım Akımı: Primer şebekedeki bir kısa devre esnasında, ilk periyotta geçecek darbe akımının yol açacağı mekanik kuvvetler açısından akım trafosunun dayanabileceği maksimum tepe değeridir.
Akım trafoları genel olarak termik dayanım akımının 2.5 katı mertebesinde dinamik dayanım akımına göre dizayn edilir.
Hasarlanan akım trafolarının değiştirilmesinde yukarıda anlatılan hususlar mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır.
2.13. Toplayıcı Akım Trafoları
Şekil – 10’da üç girişli toplayıcı akım trafosu gösterilmektedir. Toplayıcı akım trafolarının primerleri, yüksek gerilim tarafına değil, akımları toplanacak akım trafolarının sekonderlerine bağlanırlar. Şekil – 11’de iki fiderin A fazı akımlarının iki girişli toplayıcı akım trafosu vasıtasıyla toplanması görülmektedir. Toplayıcı akım trafolarının primerleri de sekonderleri de aynı akımda, örneğin, 5 A’lık yapılırlar. (5+5+5)/5 A olan üç girişli bir akım trafosunun çevirme oranı, 15/5’dir. Üç yada daha çok girişli bir akım trafosunun kullanılmayan girişi var ise kullanılmayan primer kısa devre edilmez. Aksi takdirde etikette yazılı oran elde edilemez.
2.14. Akım Trafolarında Hata ve Ölçme Sınıfı
Akım trafolarının genel olarak % 50 – 120 primer akımlarda ve % 25 – 100 sekonder yüklerde yapılabileceği en çok hatayı yüzde olarak bildiren ve trafo etiketlerinde yazılan sayılar hata sınıflarıdır. Bağlı oldukları şartlar, her ülkenin standardında belirlenmiştir.
Türk Standartlarında, hata sınıfları ve yapılabilecek hatalar, Tablo – 1’de ölçü amaçlı akım trafoları için, Tablo – 2’de ise koruma amaçlı akım trafoları için verilmiştir.
ÖLÇÜ Yükler %10 %20 %100 %120 %10 %20 %100 %120
AMAÇLI 0,1 0,25 0,2 0,1 0,1 10 8 5 5
0,2 0,5 0,35 0,2 0,2 20 15 10 10
0,5 1 0,75 0,5 0,5 60 45 30 30
1 2 1,5 1 1 120 90 60 60
Doğruluk Sınıfı
Anma (nominal) akımın ( %) yüzdesi olarak oran hatası
Dakika olarak ( ) faz açısı hatası
Doğruluk
Örnek: Ölçü amaçlı 0,5 sınıflı bir akım trafosu, nominal akımın % 10’unda çalışıyor ise genlik hatası, % 1; açı hatası, 60 dakikadır. Aynı akım trafosu anma akımında çalışıyor ise yapacağı genlik hatası, % 0,5; açı hatası ise 30 dakika olacaktır.
2.15. Akım Trafolarının Sekonderlerinin Açık Kalması
Akım trafolarının sekonder devreleri, primerden akım geçerken açılırsa, sekonder akımın sebep olduğu amper-sarım ve buna bağlı olarak zıt manyeto-motor kuvvet ortadan kalkar. Primer akıma bağlı olarak çekirdekteki manyetik alan önemli ölçüde büyür. Manyetik çekirdek, belli bir değerden sonra doymaya gider. Sekonder sargılarda indüklenen gerilim, manyetik akının sıfırdan geçiş anlarında değişimi çok hızlı olduğundan, e = dØ/dt bağıntısına göre, büyük değerlere ulaşır. Sekonder devreye bağlı teçhizat ve akım trafosunun sekonder sargı izolasyonu, bu gerilimlere dayanmaya yeterli olmayabilir ve hasar meydana gelebilir. Daha da önemlisi çalışan personelin hayatı da tehlikeye girer. Bunun için akım devreleri irtibatlarına dikkat etmek gerekir.
2.16. Sipariş İçin Gerekli Bilgiler
a. Nominal (Anma) gerilimi faz-faz (34,5 kV gibi), b. Oranı (A) olarak (100/5 gibi),
c. Kaç sekonderli olduğu (100/5-5 gibi), d. Sınıfı ve kullanma amacı
1 + 3 sınıfı 1 sınıf = Ölçme devresi, 3 sınıf = Koruma devresi veya 5P, 10P.5P = 1 sınıfı, 10P = 3 sınıfı olarak belirlemektedir.
e. Doyma katsayısı n≤5 ölçme, n≥10 koruma,
f. Gücü (Nominal yükü) VA olarak 30 + 30 VA (Ölçme + koruma), g. Tipi: Dahili, harici, geçit, bara, yağlı, kuru, vs.