Akım Trafosu Nedir? Çalışma Prensibi ve Kullanımı

Yüksek gerilimlerdeki akımları doğrudan ölçmek hem tehlikeli hem de maliyetli olduğu için, akım trafosu nedir sorusunun cevabı elektrik sistemlerinin güvenliği açısından kritik önem taşır.

Akım trafosu, yüksek gerilim hatlarındaki akımı ölçülebilir ve güvenli değerlere dönüştüren bir ölçü transformatörü türüdür. Bu yazıda, akım transformatörü çalışma prensibini, çeşitlerini, kullanım alanlarını ve bağlantı yöntemlerini detaylı olarak inceleyeceğiz.

İlginizi Çekebilir: Orta Gerilim Hücrelerinde Koruma Rölesi

 

Akım Trafosu Nedir ve Temel İşlevi

Akım Transformatörü Tanımı

Akım transformatörü, gerilim transformatörü gibi bir enstrüman ya da ölçü transformatörü kategorisinde yer alır. Devreden geçen AC akım büyüklüğünü sabit ve önceden belirlenmiş oranda bölmeye yarar.

Temel işlevi, yüksek ve tehlikeli seviyedeki akım değerlerini standart ölçüm cihazları ve röleler tarafından güvenli bir şekilde okunabilecek daha küçük, standart bir akım seviyesine düşürmektir. Akım trafosu bağlantı yönü açısından asıl elektrik devresine seri olarak bağlanır.

Örneğin, 200/5 oranlı bir akım transformatörü asıl devreden geçmesi beklenen 200 A’e karşılık 5 A çıkış vererek ölçü aletlerinde ya da koruma rölelerinde kullanılmak üzere standardize bir çıkış verir. Aynı şekilde 100 A’e 2,5 A karşılık gelir.

Bazen 5 yerine 1 A de kullanılmaktadır. Bu standardizasyon, ölçüm cihazlarının ve koruma sistemlerinin doğru çalışabilmesi için devredeki yüksek akımı dönüştürerek sistem bileşenlerine iletme amacı taşır.

Akımın Ölçülebilir Değerlere Dönüştürülmesi

Yüksek akımların ölçü aletleri tarafından direkt ölçülmesi, yüksek maliyetli olmasının yanı sıra kimi zaman oldukça tehlikeli ve zordur. Dolayısıyla devreden geçen akımın ölçülebilmesi için belirli bir değere indirgenmesi gerekir.

Akım trafosu, primer devreden geçen akımın meydana getirdiği manyetik alanı küçülterek sekonder denilen ikinci devreye aktarır. Akım trafosu oranı, primer akımın sekonder akıma bölünmesiyle hesaplanır.

Özellikle, primer akımı 300 amper olan bir sistemde, sekonderde 5 amper çıkış isteniyorsa oran 300/5 olur. Birincil akım ile ikincil akım arasındaki bu oran, trafonun özelliklerine bağlıdır ve cihazın amacına uygun olarak tasarlanır. Bu oran, ölçüm cihazının göstereceği değeri belirleyen temel çarpandır.

Sekonder sargıya paralel bağlanan bir ölçü aleti ile primer devreden geçen akım miktarı ölçülebilir. Sekonder sargısında okunacak değer ile transformatör çevrim oranı çarpımı primer sargı akımını verir. Bu yapı sayesinde akım trafosu değerleri kontrol altında tutulur, koruma röleleri doğru sinyalleri alır ve sistem güvenliği sağlanır.

Kritik güvenlik kuralı: Primer sargısından akım geçerken sekonder sargı ucu kesinlikle boşta bırakılmaz, aksi takdirde transformatörün sekonder sargısı hasar görür. Benzer şekilde sekonder sargısında koruma amaçlı elektrik kesicileri (sigorta vb.) kullanılmaz.

İlginizi Çekebilir: Yağlı Tip Trafolar

 

Primer ve Sekonder Devre Yapısı

Akım trafoları temel olarak manyetik demir bir nüve, bu nüve üzerine sarılmış primer bir sargı ve bu primer sargıya ters yönde sarılmış sekonder sargı olmak üzere üç bölümden oluşur.

Primer sargı üzerinden geçen akım, manyetik demir nüve üzerinde bir manyetik akı oluşturur. Nüvede oluşan bu manyetik akı, sekonder sargı üzerinde bir gerilim indüklenmesine sebep olur.

Birincil sargı, yüksek akımın geçtiği birkaç dönüşten veya bobinden oluşur. Primer sargılarında yüksek gerilim olduğu için sargılar kalın ve az sarımlı yapıdadır. İkincil sargı ise birincil sargının bir kısmını veya birkaç sarımını içerir ve manyetik alanın etkisiyle elektriksel bir gerilim üretir.

Sekonder sargılarında daha küçük gerilimler bulunduğundan sargıları daha ince ve çok sarımlıdır.

LPCT (low power current transformer) tipi akım transformatörleri ise toroidal biçimde olup asıl akım ortasından geçer. LPCT sekonderinde transdüser yoluyla mV mertebesinde gerilim üretilir. Bu yapı, özellikle modern ölçüm sistemlerinde kompakt tasarım ve düşük güç tüketimi avantajı sağlar.

İlginizi Çekebilir: Trafo Nedir?

 

Akım Trafosu Çalışma Prensibi

Manyetik Demir Nüve ve Sargı Yapısı

Akım trafosu çalışma prensibi elektromanyetizma üzerine kuruludur. Yapısal olarak kapalı bir manyetik devre oluşturan demir nüve, primer ve sekonder sargılar arasındaki manyetik akışı yönlendiren bileşendir.

Genellikle demir ya da ferromanyetik malzemelerden yapılan bu çekirdek, primer sargıdan gelen manyetik alanı daha verimli bir şekilde sekonder sargıya iletir. Manyetik çekirdeğin direncinin çok düşük olması gerektiğinden, nüveler bir tarafı yalıtılmış ince sac biçiminde paketlenerek bir araya getirilir.

Primer sargı, ölçmek veya korumak istediğiniz yüksek akımın devresine seri olarak bağlanır. Bu sargı, yüksek akımın geçtiği birkaç dönüşten oluşur ve ana devreye seri bağlantısı sayesinde tüm sistem akımını taşır.

Sekonder sargı ise bu primer sargıya ters yönde sarılmıştır. Sarım yönlerinin ters olması, manyetik akı dengelemesi açısından kritik öneme sahiptir. Sekonder sargı, primer sargıya oranla daha fazla sarım sayısına sahip olup, sistemdeki akımın güvenli bir şekilde ölçülmesini sağlar.

İlginizi Çekebilir: Kuru Tip ve Yağlı Tip Trafo Seçimi

 

Elektromanyetik İndüksiyon Süreci

Birincil akım, birincil sargının etrafında dolaşırken sargının çevresinde bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanın şiddeti, birincil akımın büyüklüğüne ve sargının sarım sayısına bağlı olarak değişir.

Primer sargı üzerinden geçen akım, manyetik demir nüve üzerinde bir manyetik akı meydana getirir. Nüvede oluşan bu manyetik akı, elektromanyetik indüksiyon prensibi gereği sekonder sargı üzerinde bir gerilim indüklenmesine sebep olur.

Manyetik alanın etkisiyle akım trafosunun çekirdeği etrafında bulunan ikincil sargıya bir akım indüklenir. Sekonder sargıya paralel bağlanan ölçü aleti, sekonder devreden geçen akım oluşturur.

Ancak sarım yönünün ters olması sebebiyle, bu sekonder akım manyetik demir nüvede ters yönde bir manyetik akı oluşturur. Oluşan bu ters yönlü manyetik akı, primer sargının oluşturduğu akıyı dengeler. Sonuç olarak, demir nüvedeki toplam manyetik akı dengelenmiş olur.

Akım Dönüşüm Oranı ve Hesaplama

Akım trafosu, birincil akım ile ikincil akım arasındaki oranı belirler. Bu oran, trafonun özelliklerine bağlıdır ve cihazın amacına uygun olarak tasarlanır.

Örneğin, 1000/5 akım trafosu, birincil akımın 1000 amper olduğu bir devrede ikincil akımın 5 amper olduğu anlamına gelir. Benzer şekilde 100:5 oranına sahip bir CT, birincilden 100 amper geçtiğinde 5 amper ikincil akım üretecektir.

Birincil akım değişirse, ikincil akım çıkışı buna göre değişecektir. Dolayısıyla 300 amper nominal birincilden 75 amper akarsa, ikincil akım 1,25 amper olur. Çevirme oranı, akım trafosunun sarım sayısına göre belirlenmektedir.

Kısaca akım trafosunun içerisinden geçen bara veya kablonun üzerinden geçen akım değerinin sekonder taraftaki akım değerine bölünmesi ile hesaplanır.

İlginizi Çekebilir: Orta Gerilim Trafoları ve Kullanım Alanları

 

Sekonder Devrenin Kısa Devre Edilmesi Gerekliliği

Akım trafolarının sekonder uçları mutlaka bir ölçü cihazı ya da bir yük ile kısa devre edilmelidir. Aksi durumda ters yönde bir manyetik akı oluşmayacak ve akı dengelenmediği için ciddi sorunlar meydana gelir.

Sekonder tarafına bir yük bağlanmaması durumunda, primer devrede oluşan manyetik akı nüvenin doyuma girmesini ve sıcaklığı artırarak trafonun arızalanmasına neden olur.

Ayrıca sekonder devre uçlarındaki gerilim büyük değerlere ulaşacağı için, teknik elemanlar için hayati tehlike oluşturur. Birincil yan akımın tamamı uyarma akımına dönüştüğü için manyetik akı yoğunluğu aşırı derecede artacak ve demir çekirdek ciddi şekilde hasar görecektir.

Bu sebeple akım trafosu çalıştığında ikincil devresi kapalı kalır ve çalışma durumu kısa devreye yakındır.

Akım Trafosu Çeşitleri ve Özellikleri

Ölçü Tipi ve Koruma Tipi Akım Trafoları

Akım trafosu çeşitleri, kullanım amacına göre iki temel kategoriye ayrılır. Ölçü tipi akım trafoları, pano içi uygulamalarda enerji tüketiminin izlenmesi ve kompanzasyon sistemlerinde akım bilgisinin iletilmesi için tercih edilir.

Normal çalışma akımı aralığındaki cihazlara güç şebekesinin verilerini sağlarlar. Yüksek hassasiyet bu trafoların ana özelliğidir.

Koruma tipi akım trafoları ise yüksek kısa devre akımlarına dayanıklı yapılarıyla rölelerin hızlı çalışmasını sağlayarak sistem güvenliğini artırır. Şebeke arızası durumunda, güç kaynağını korumak için röle cihazına arıza devresini kesmesi sinyalini verirler.

Doğruluk sınıfları IEC 60044-1 standardına göre 5P ve 10P olarak kategorize edilir. Etikette “Cl-Fs-Sn” yazıyorsa ölçüm, “5P veya 10P” yazıyorsa koruma amaçlı kullanıldığı anlaşılır.

İlginizi Çekebilir: Sf6 Gazlı Kesici Nedir?

 

Alçak Gerilim ve Yüksek Gerilim Akım Trafoları

Alçak gerilim (AG) akım trafoları, genellikle 1000 volt altı sistemlerde, elektrik enerjisinin dağıtımı ve güvenli ölçümü amacıyla yaygın olarak kullanılan trafo modellerindendir. Kompakt yapıları sayesinde bina otomasyon sistemlerinde ve endüstriyel panolarda rahatlıkla tercih edilirler; yüksek akımları cihazların okuyabileceği 1A veya 5A gibi standart değerlere düşürürler.

Yüksek gerilim (YG) ve Orta gerilim (OG) akım trafoları ise şebekelerde çok daha zorlu elektriksel koşullarda çalışmak üzere, yüksek izolasyon seviyesine sahip özel olarak tasarlanmış trafolardır. Özellikle açık şalt sahalarında ve aşırı yüksek gerilim seviyelerinde, ark oluşumunu engellemek için dielektrik dayanımı mükemmel olan yağlı tip akım trafoları ciddi bir yalıtım avantajı ve uzun ömür sağlar.

Toroid Akım Trafosu ve Bara Tipi Modeller

Toroid akım trafosu, simetrik halka biçimindeki tasarımı sayesinde güç kablosunun doğrudan ortasından geçirilmesiyle çalıştırılan hassas bir modeldir. Çekirdek yapısında kesinti olmaması nedeniyle düşük manyetik kaçak ve yüksek doğruluk bu trafoların en belirgin özelliğidir; bu yüzden kaçak akım koruma röleleriyle birlikte hayati güvenlik uygulamalarında sıkça kullanılırlar.

Bara tipi akım trafoları ise kablo yerine doğrudan bakır veya alüminyum baralar üzerine oturtulacak şekilde dizayn edilmiştir. Pano içi montaj kolaylığı sunmalarının yanı sıra, kısa devre anında oluşan elektromanyetik kuvvetlere karşı gösterdikleri yüksek mekanik dayanım sayesinde ana dağıtım ve kompanzasyon panolarının vazgeçilmez tercihidir.

Ayrılabilir ve Mühürlü Akım Trafoları

Ayrılabilir nüveli (split-core) akım trafoları, özellikle enerji kesintisine tahammülü olmayan ve 7/24 aktif çalışan tesislerde büyük bir montaj avantajı sunar. Mevcut sistemi durdurmaya, kabloları kesmeye veya iletkenleri ayırmadan montaj yapabilme imkanı sayesinde kullanıcılara ciddi bir zaman ve işçilik tasarrufu sağlarlar.

Mühürlü akım trafosu ise elektrik dağıtım şirketlerinin enerji faturalandırması yaptığı resmi sayaç sistemlerinde kullanılır. Doğrudan ticari ölçüm yapıldığı için, ölçüm güvenliğini yasal standartlarda tutmak, klemens kapaklarının izinsiz açılmasını ve enerji hırsızlığına yönelik müdahaleleri tamamen önlemek amacıyla özel mühür yuvalarıyla tasarlanmıştır.

Toplayıcı Akım Trafosu Uygulamaları

Toplayıcı akım trafoları, paralel çalışan birden fazla devrenin veya farklı hatların sekonder akımlarını toplayarak, toplam yükü tek bir analizör veya ampermetre üzerinden izleme imkanı sunar.

Bu özellik, karmaşık panolarda çok sayıda ölçü aleti kullanma zorunluluğunu ortadan kaldırır. Üç fazlı akım trafoları ise üç farklı fazı (L1, L2, L3) tek bir kompakt gövdede birleştirir. Kompakt şalterlerin (TMŞ) standart vida açıklıklarına uygun tasarlandıkları için şalter çıkışlarına direkt montaj imkanı sunar; bu sayede hem pano içinde ciddi bir alan hem de bağlantı süreçlerinde işçilik tasarrufu sağlar.

Akım Trafosu Kullanım Alanları

Endüstriyel Tesislerde Enerji Ölçümü

Sanayi kuruluşlarında makinelerin enerji tüketimini izlemek için akım trafoları kritik rol oynar. Bu sistemler sayesinde enerji verimliliği sağlanır ve arıza durumları önceden tespit edilir. Özellikle dijital sistemlere entegrasyon için yüksek hassasiyetli modeller tercih edilir.

Kompanzasyon Sistemleri ve Pano Uygulamaları

Kompanzasyon sistemlerinde akım trafoları, reaktif güç kontrol rölesinin sağlıklı çalışabilmesi için sayaç sonrası monte edilmelidir. Genellikle ana dağıtım panosundaki şalter çıkış baralarına kurulum yapılır.

Trafo Merkezleri ve Dağıtım Şebekeleri

Yüksek gerilimli hatlardaki akımları düşük seviyelere indirerek operatör güvenliğini sağlarlar. Ayrıca hassas kontrol sistemlerini yüksek gerilimden izole ederek güvenli çalışmayı garanti ederler.

İlginizi Çekebilir: Orta Gerilim Fiyat Listesi

 

Koruma Röleleri ile Entegrasyon

Koruma rölelerine giriş sinyalleri sağlayarak kısa devre durumlarını tespit ederler. Modern sistemlerde bu entegrasyon IEC 61850 standartlarındaki dijital protokollerle gerçekleştirilir.

Akım Trafosu Bağlantı Yönü ve Kurulum

P1-P2 ve S1-S2 Terminal Bağlantıları

P1 ucu daima akımın giriş yönünü, P2 ise çıkış yönünü gösterir. Doğru ölçüm için polarite bağlantısına dikkat edilmelidir. Polarite yanlış bağlanırsa ölçüm sonuçları hatalı çıkacaktır.

Sekonder Uç Topraklama İşlemi

Güvenlik açısından sekonder sargının polarite olmayan S2 ucu mutlaka topraklanmalıdır. Bu işlem, primer ve sekonder arasındaki olası bir hata akımında ekipmanların ve personelin elektrik çarpmasından korunmasını sağlar.

Doğruluk Sınıfı ve Çevirme Oranı Seçimi

Doğruluk sınıfı, trafonun yüzde olarak hata oranını belirtir. Çevirme oranı seçilirken, nominal birincil akımın çalışan akımın %20 ile %120’si arasında olması tavsiye edilir.

Trafo Gücü (VA) Hesaplama

Akım trafosunun sekonderine bağlanabilecek cihazların toplam gücü ile cihaz bağlantısında kullanılacak kablo gücünün toplamı akım trafosunun gücünü belirler. Kablo kesiti, kablo boyu ve iletken cinsine göre kablo direnci bulunup, Pk= I² x Rk formülüyle kablo gücü hesaplanır.

Bakır iletkenlik katsayısı K= 56 Ω/mm². Örneğin, röle gücü 10 VA, sekonder akımı 5 A ve 10 metre 1.5mm² bakır kablo kullanılmakta olan bir sistem için Rk= 0.24 Ω bulunur. Pk= 6 VA bulunur. Toplam güç= 16 VA. Gelecekte oluşabilecek yüzde 25’lik güç artışı da dikkate alınırsa toplam güç 20 VA olacaktır.

Montaj ve Güvenlik Önlemleri

Akım trafosu çalışırken sekonder devre asla açık bırakılmamalıdır. Eğer bir ölçüm cihazı sökülecekse, tehlikeli gerilim yükselmelerini önlemek için uçlar mutlaka kısa devre edilmelidir.