หม้อแปลงกระแส (Current Transformer (CT))

               Current Transformer (CT) ไม่เหมือน Power Transformer ทั้งหมดแต่ใช้หลักการ Electromagnetic Induction เหมือนกัน ลักษณะการใช้งานต่างกัน ใน Power Transformer กระแสไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ (Primary Winding) จะมีความสัมพันธ์กับกระแสด้านทุติยภูมิ (Secondary) ซึ่งเป็นไปตามกระแสโหลด แต่ CT มีขดลวดปฐมภูมิต่ออนุกรม (Series) กับ Line เพื่อวัดกระแสที่ไหลผ่าน หรือกล่าวได้ว่า กระแสในขดลวดปฐมภูมิ จะไม่ขึ้นกับโหลดที่ต่ออยู่

อาจแบ่งประเภทของ CT ได้เป็นสองชนิดตามการใช้งาน

1.  CT ที่ใช้วัดกระแสให้กับเครื่องมือวัด (Instrument) เช่น Energy Meter, Current Meter มาต่อเข้าที่ด้านทุติยภูมิ เรียกว่า Metering Current Transformer จะมีค่าความถูกต้องแม่นยำ และความเที่ยงตรง (Accuracy) สูง

2. CT ที่ใช้กับระบบป้องกัน (Protective Equipment) เช่น Trip Coil, Relay         ซึ่งเรียกว่า  Protective Current Transformer จะมีค่าความถูกต้องแม่นยำ และความเที่ยงตรง (Accuracy) น้อยกว่า Metering Current Transformer

1. หน้าที่ของ CT

                               หน้าที่ของ CT คือ แปลงกระแสสูงค่าหนึ่ง เป็นกระแสอีกค่าหนึ่งที่ต่ำลง ตามมาตรฐานกำหนด Rated Current ของขดลวดด้านทุติยภูมิ (Secondary Winding) ไว้ที่ 5A และ 1A เพื่อเป็นมาตรฐานในการผลิตอุปกรณ์ หรือเครื่องมือที่นำมาต่อเข้าที่ Secondary Terminal กรณีใช้งานกับไฟแรงสูง จำเป็นต้องมีฉนวนที่สามารถทนต่อแรงดันใช้งานและแรงดันผิดปกติที่อาจเกิดขึ้นในระบบ 

ภาพที่ 1 CT ระบบ 115 เควี. Post Type ที่ใช้ในสถานีไฟฟ้า

2. หลักการทำงานของ CT

                                ถ้ากระแสด้านปฐมภูมิ (I p) ไหลผ่านทางขดลวดปฐมภูมิ (Primary Winding) จะเกิด

- Induced flux : φ ในแกนเหล็ก

- ฟลักซ์ในแกนเหล็ก จะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงดันที่ Secondary Winding : Es

- Es เกิดขึ้นทำให้เกิดกระแส Is ไหลใน Secondary Circuit

- กระแสที่ไหลเป็นไปตาม Ampere-Turn Balance

Np. Ip = Ns .Is (เป็น Ideal transformer)

ในทางปฏิบัติขดลวดทุติยภูมิ จะมีทั้ง Resistance และ Leakage Reactance และต้อง

คำนึงถึง Capacitance ที่อาจมีค่าสูงจนมีผลต่อ Impedance ของวงจร

Es = Is. Zs = k. φ m

φ m เป็น Exciting ampere-turn : Np .I l

ฉะนั้น Np.Ip จึงถูกแบ่งเป็นสองส่วน คือ ส่วนของ Primary exciting ampere-turn : Np. Ie และส่วนของ Primary transferring ampere-turn : Np .Ipl เมื่อกระแสที่แปลงไปที่ด้าน Secondary ไม่ใช่กระแสทั้งหมด จึงทำให้เกิด Current error หรือ Ratio error ขึ้น

3. โลหะที่ใช้ทำแกนเหล็ก

                              โลหะที่ใช้ทำแกนเหล็ก (Core) ต้องเป็น Ferromagnetic Material เนื่องจาก Error เกิดขึ้นจาก Magnetizing Current ที่ใช้ในการสร้างฟลักซ์ จึงจำเป็นต้องศึกษาเรื่อง Magnetizing Curve ที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง flux density และ magnetizing ampere-turn หรือ B-H Curve

ภาพที่ 2 กราฟ B-H ของแกนเหล็ก

- Protective Current Transformer สามารถใช้ช่วง 0-3 ในขณะที่มีกระแสปกติ แต่ขณะมีกระแสลัดวงจรไหลผ่านอาจอยู่ช่วงต้นๆ ของ 4 

- Metering Current Transformer จะใช้ช่วง 0-1 เท่านั้น ในทางปฏิบัติอาจใช้ถึงช่วงก่อน Knee point ขณะที่มี full load current ไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ เพราะจะใช้ Core material น้อยลง

ประเภทของเหล็กที่ใช้ทำแกนเหล็กคือ

- hot rolled silicon-iron alloy

- cold rolled oriented silicon-iron alloy (electrical steel)

- nickel-iron alloy

- composite material

4. การบอกลักษณะของ CT

4.1 Ratio คืออัตราส่วนของการแปลงกระแส จากกระแสด้าน Primary  กับกระแสด้านSecondary เช่น Ratio ของ Current Transformer 300 : 5 มีความหมายว่า CT มี Rated Primary Current เท่ากับ 300 A และ Rated Secondary Current มีค่า 5 A หรือ CT ที่เป็น Multi-Ratio : 100-1200 A. สามารถเลือกกระแสใช้ได้ 10 Ratio ตั้งแต่ 100 A. ถึง1200 A. โดยที่กระแสด้าน Secondary  มีค่าคงที่เท่ากับ 5 A. และกรณีที่มี Secondary หลายชุดพันบนแต่ละ Core ให้เลือกใช้งาน เรียกว่า Multi-Core เช่น 100-1200//5

ภาพที่ 3.32 Ratio แบบ Multi core กับ Multi Ratio

4.2 Current Rating Factor : RF  คือ ค่าจำนวนเท่าของกระแสด้าน Primary ที่ CT สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องเช่น 1, 1.3,  2 เป็นต้น

4.3 ความแม่นยำ (Accuracy) คือความถูกต้องแม่นยำของการแปลงกระแส ซึ่งมีลักษณะต่างกันระหว่าง ชนิด Protection และ Metering

4.4 Polarity ใช้ในกรณีที่นำ Secondary  ของ CT สองชุด หรือมากว่าสองชุดมาต่อกัน และทิศทางการไหลของกระแส

4.5 Burden เป็น Impedance ของอุปกรณ์ที่ต่อทาง Secondary เช่น รีเลย์, เครื่องมือวัดหรืออุปกรณ์อื่นๆ รวมทั้งสายที่ต่อระหว่างอุปกรณ์กับ Secondary Terminal รวมทั้งหมด คือ Burden ของ CT อาจมีหน่วยเป็น VA หรือ ohm ก็ได้ เช่น

CT ที่มี rated burden         เท่ากับ   P  มีหน่วยเป็น    VA

rated secondary current    เท่ากับ   I_s มีหน่วยเป็น      A

Z_b : burden                       เท่ากับ   P/ ( I_s)²   มีหน่วยเป็น  ohm

ถ้า Burden มี power factor เท่ากับ cosϕ

- ค่า resistance จะเท่ากับ R_b = Z_b . cosϕ

- ค่า reactance จะเท่ากับ X_b = Z_b. sinϕ

5. ข้อควรระวังของ CT

                                ห้าม Open Circuit ด้าน Secondary ของ CT ในขณะที่มีกระแสไหลผ่านขดลวดของ CT ด้านPrimary เนื่องจากการเปิดวงจรด้าน Secondary ไว้นั้น จะมีผลทำให้เกิด V ทางด้าน Secondary  สูงมากอาจเกิดอันตรายกับผู้ปฏิบัติงานและอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ต่ออยู่ได้ ฉะนั้นในการปฏิบัติงานจำเป็นต้องถอดสายทางด้าน Secondary ออกจะต้อง Short หรือลัดวงจรที่ขั้วของ Secondary ไว้ก่อนเสมอ