Насичення трансформатора струму – це стан, за якого магнітний сердечник трансформатора струму досягає максимальної пропускної здатності потоку й більше не може лінійно трансформувати первинний струм у вторинне коло. Коли відбувається насичення, вихід трансформатора струму більше не точно відтворює форму первинного струму, що призводить до спотворення вторинних сигналів, помилок вимірювання та потенційної неправильної роботи захисних реле. Розуміння насичення має вирішальне значення для правильного вибору ТТ і проектування системи, особливо для застосувань захисту, де струми замикання можуть у багато разів перевищувати номінальне значення.
Основною причиною насичення є магнітна поведінка матеріалу сердечника КТ. Трансформатори струму працюють за принципом, що змінний первинний струм індукує змінний магнітний потік у сердечнику, який, у свою чергу, індукує вторинну напругу та струм. Ця залежність є лінійною, доки потік осердя залишається нижче рівня насичення матеріалу осердя. Проте всі магнітні матеріали мають кінцеву-пропускну здатність. Коли потік перевищує цей рівень, серцевина вважається насиченою, і лінійна залежність між первинним і вторинним струмами порушується.
Декілька факторів можуть спричинити насичення КТ. Найпоширенішою причиною є надмірний первинний струм, наприклад, під час несправності. Під час високого струму замикання робоча характеристика КТ може бути порушена, створюючи незручність для роботи захисних пристроїв. Коли первинний струм перевищує межу точності трансформатора струму, сердечник насичується, і форма хвилі вторинного струму спотворюється. Величина струму замикання, постійна складова струму замикання, первинна постійна часу та залишковий потік у залізному сердечнику сприяють насиченню.
Постійний компонент струму пошкодження відіграє особливо важливу роль у насиченні. Струми замикання в системах живлення часто містять затухаючий зсув постійного струму, який може призвести ядро трансформатора струму до насичення швидше, ніж компонент змінного струму окремо. Це зміщення постійного струму може прискорити насичення захисних КТ на кілька мілісекунд і збільшити похибки передачі вимірювальних КТ. Ефект найбільш виражений у системах з великими постійними часом, наприклад, з великими індуктивними навантаженнями або довгими лініями передачі.
Залишковий потік в сердечнику КТ є ще одним сприяючим фактором. Коли КТ переривається під час несправності, серцевина може зберегти залишковий магнітний потік, який може бути в тому ж напрямку, що й потік, створений наступною несправністю. Цей залишковий потік зменшує запас потоку, доступний до насичення, фактично знижуючи поріг насичення КТ. Це явище є особливо проблематичним у схемах диференціального захисту, де кілька трансформаторів струму повинні працювати узгоджено.
Початок насичення можна виявити, спостерігаючи за струмом збудження. Характеристика збудження КТ демонструє лінійну залежність між прикладеною напругою та струмом збудження до точки перегину, за якою струм швидко зростає з невеликими збільшеннями напруги. Потрапивши в зону насичення, збільшення прикладеної напруги на 10% може спричинити збільшення вторинного струму на 30-50%, що вказує на те, що серцевина більше не здатна підтримувати додатковий потік.
Вплив насичення на продуктивність КТ є значним. Вторинний струм спотворюється, зазвичай демонструючи гостру форму хвилі зі зменшеною площею порівняно з первинним струмом. Це викривлення призводить до того, що ефективний середньоквадратичний вторинний струм є нижчим за очікуваний, що призводить до недо-вимірювання первинного струму. У системах захисту спотворений вторинний струм може спричинити неправильну роботу або затримку часу спрацьовування захисних реле. Затримка в роботі реле може мати серйозні наслідки для стабільності системи та захисту обладнання.
Вибір матеріалу сердечника відіграє важливу роль у визначенні характеристик насичення. Різні магнітні матеріали-включаючи кремнієву сталь, ферит, пермалой, нанокристалічні та аморфні сплави-мають різні рівні індукції насичення та інші магнітні властивості. Кремнієва сталь є найпоширенішим матеріалом для захисту трансформаторів струму через високу щільність потоку насичення, тоді як нанокристалічні матеріали пропонують вищу проникність і менші втрати. Вибір основного матеріалу передбачає компроміс-між характеристиками насичення, вартістю та іншими факторами.
Запобігання насичення вимагає належного проектування та застосування КТ. Номінальне навантаження КТ, клас точності та напруга в точці перегину повинні бути обрані, щоб гарантувати, що сердечник залишається в своїй лінійній області під максимальним очікуваним струмом пошкодження. Для застосувань захисту граничний коефіцієнт точності (ALF) визначає кратність номінального первинного струму, при якому трансформатор струму все ще повинен зберігати задану точність. ТТ з вищим ALF може витримувати більш високі струми замикання без насичення. Крім того, мінімізація вторинного навантаження-за допомогою реле-з низьким навантаженням, коротких кабельних ліній і відповідного поперечного-перерізу-кабелю допомагає зберегти запас потоку трансформатора струму.
Таким чином, насичення трансформаторів струму є основним обмеженням трансформаторів струму з-магнітним сердечником, яким потрібно ретельно керувати шляхом належного проектування та застосування. Розуміння причин, наслідків і запобігання насичення є важливим для забезпечення надійного захисту та точного вимірювання в системах електроенергії.