การทำความเข้าใจหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (Current Transformer: CT) เป็นหม้อแปลงเครื่องมือที่สำคัญ ถูกออกแบบมาเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสลับในขดลวดทุติยภูมิให้สอดคล้องกับกระแสในขดลวดปฐมภูมิ วัตถุประสงค์หลักของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าคือการลดกระแสไฟฟ้าแรงสูงให้มีค่าต่ำลงมาก เพื่อให้สามารถตรวจสอบกระแสไฟฟ้าในสายส่ง AC ได้อย่างปลอดภัยและสะดวก โดยใช้แอมมิเตอร์มาตรฐาน การทำงานของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแตกต่างจากหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้าทั่วไป

โครงสร้างและการทำงาน

ต่างจากหม้อแปลงแรงดันที่มีจำนวนรอบในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิหลายรอบ หม้อแปลงกระแสไฟฟ้ามักมีจำนวนรอบในขดลวดปฐมภูมิน้อยมากหรือเพียงหนึ่งรอบ ขดลวดปฐมภูมิอาจมีรูปแบบเป็นขดลวดแบนราบหนึ่งรอบ ขดลวดขนาดใหญ่พันรอบแกน หรือเพียงตัวนำไฟฟ้าหรือบัสบาร์ที่ผ่านรูตรงกลางของหม้อแปลง

เนื่องจากการจัดเรียงนี้ หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจึงมักเรียกว่า "หม้อแปลงแบบอนุกรม" เนื่องจากขดลวดปฐมภูมิที่ประกอบด้วยรอบเพียงไม่กี่รอบจะเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวนำที่จ่ายโหลด ขณะที่ขดลวดทุติยภูมิมักมีจำนวนรอบหลายรอบพันรอบแกนลามิเนตที่ทำจากวัสดุแม่เหล็กที่มีการสูญเสียต่ำ แกนนี้ถูกออกแบบให้มีพื้นที่หน้าตัดขนาดใหญ่เพื่อให้ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กต่ำ และลวดที่ใช้ในขดลวดทุติยภูมิมีขนาดบางลงขึ้นอยู่กับกระแสที่ต้องการลดลง

ขดลวดทุติยภูมิถูกออกแบบมาเพื่อจ่ายกระแสให้กับวงจรสั้น เช่น แอมมิเตอร์ หรือตัวต้านทาน จนกว่าความดันไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิจะทำให้แกนอิ่มตัวหรือเกิดแรงดันไฟฟ้าสูงที่เป็นอันตราย แตกต่างจากหม้อแปลงแรงดัน กระแสปฐมภูมิในหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะเป็นอิสระจากกระแสโหลดทุติยภูมิ และถูกควบคุมโดยโหลดภายนอก กระแสทุติยภูมิมักถูกกำหนดมาตรฐานไว้ที่ 1 แอมป์หรือ 5 แอมป์สำหรับกระแสปฐมภูมิที่สูงขึ้น

ประเภทของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าพื้นฐานมีสามประเภท:

• ‍หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบพันรอบ (Wound Current Transformer): ขดลวดปฐมภูมิถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับตัวนำที่รับกระแสไฟฟ้าในวงจร ขนาดของกระแสทุติยภูมิขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการพันรอบของหม้อแปลง‍
• หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบวงแหวน (Toroidal Current Transformer): หม้อแปลงชนิดนี้ไม่มีขดลวดปฐมภูมิ ตัวนำที่มีกระแสจะถูกสอดผ่านช่องหรือรูในหม้อแปลงวงแหวน บางรุ่นมีแกนแยกที่สามารถติดตั้งได้โดยไม่ต้องถอดวงจรออก‍
• หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบบาร์ (Bar-type Current Transformer): ขดลวดปฐมภูมิในหม้อแปลงชนิดนี้คือสายเคเบิลหรือบัสบาร์ของวงจรหลัก ทำหน้าที่เป็นรอบเดียว หม้อแปลงเหล่านี้ถูกฉนวนอย่างสมบูรณ์จากแรงดันไฟฟ้าสูงในการทำงานของระบบ และมักถูกยึดกับอุปกรณ์ที่รับกระแส

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าสามารถลดกระแสจากระดับพันแอมป์ลงมาเป็นเอาต์พุตมาตรฐานที่ 5 แอมป์หรือ 1 แอมป์ ซึ่งทำให้อุปกรณ์เครื่องมือขนาดเล็กและอุปกรณ์ควบคุมสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยกับหม้อแปลง เนื่องจากถูกฉนวนจากสายไฟแรงสูง หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าถูกใช้งานในแอปพลิเคชันการวัดต่างๆ เช่น เครื่องวัดวัตต์ เครื่องวัดปัจจัยกำลังไฟฟ้า เครื่องวัดวัตต์-ชั่วโมง รีเลย์ป้องกัน และขดลวดทริปในเบรกเกอร์วงจรแม่เหล็ก

การทำงานและอัตราส่วนกระแสไฟฟ้า

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าและแอมมิเตอร์มักจะใช้ร่วมกันเป็นคู่ โดยที่ CT ถูกออกแบบมาให้จ่ายกระแสทุติยภูมิสูงสุดที่สอดคล้องกับการเบี่ยงเบนเต็มสเกลบนแอมมิเตอร์ ในหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่มีอัตราส่วนการพันรอบแบบผกผันระหว่างกระแสปฐมภูมิและกระแสทุติยภูมิ ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่มีอัตราส่วน 100/5 หมายความว่าเมื่อมีกระแส 100 แอมป์ไหลผ่านตัวนำปฐมภูมิ จะมีกระแส 5 แอมป์ไหลผ่านขดลวดทุติยภูมิ อัตราส่วนนี้แสดงว่ากระแสปฐมภูมิสูงกว่ากระแสทุติยภูมิถึง 20 เท่า

โดยการเพิ่มจำนวนรอบขดลวดทุติยภูมิ กระแสทุติยภูมิสามารถลดลงกว่ากระแสปฐมภูมิได้ เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างจำนวนรอบและกระแสในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิเป็นสัดส่วนผกผัน

การปรับอัตราส่วนการพันรอบ

อัตราส่วนการพันรอบของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าสามารถปรับได้โดยการปรับเปลี่ยนจำนวนรอบปฐมภูมิที่ผ่านหน้าต่างของ CT ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าที่มีอัตราส่วน 300/5 สามารถเปลี่ยนเป็น 150/5 หรือ 100/5 ได้โดยการผ่านตัวนำปฐมภูมิผ่านหน้าต่างสองหรือสามครั้ง ซึ่งช่วยให้ CT ที่มีอัตราสูงสามารถให้กระแสเอาต์พุตสูงสุดสำหรับแอมมิเตอร์เมื่อใช้งานในสายปฐมภูมิที่มีกระแสน้อยกว่า

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัย

สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าไม่ควรถูกปล่อยให้เปิดวงจรหรือทำงานโดยไม่มีโหลดเมื่อมีกระแสไหลผ่านขดลวดปฐมภูมิ หากขดลวดทุติยภูมิถูกเปิดวงจร หม้อแปลงจะทำหน้าที่เป็นหม้อแปลงเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าอย่างมากในขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้าสูงนี้อาจทำให้ฉนวนเสียหายหรือทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตหากแตะขั้ว CT โดยไม่ตั้งใจ

หากต้องถอดแอมมิเตอร์หรือตัวโหลดออกจากหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า ควรเชื่อมวงจรสั้นเข้ากับขั้วทุติยภูมิก่อน เพื่อกำจัดความเสี่ยงจากการช็อตหรือความเสียหาย

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบพิเศษ

ปัจจุบันมีหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบพิเศษหลายชนิด หนึ่งในนั้นคือ "แคลมป์มิเตอร์" ซึ่งสามารถวัดการโหลดของวงจรได้โดยการหนีบเข้ากับตัวนำกระแสไฟฟ้าและวัดกระแสจากสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้น มิเตอร์แบบหนีบให้ผลการวัดที่รวดเร็วและมักจะแสดงผลเป็นดิจิทัลโดยไม่ต้องตัดต่อหรือเปิดวงจร

อีกชนิดหนึ่งคือหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าแบบแกนแยก ซึ่งมีปลายแกนหนึ่งที่สามารถถอดออกได้ เพื่อให้สามารถติดตั้งได้โดยไม่ต้องถอดตัวนำโหลดหรือบัสบาร์ หม้อแปลงเหล่านี้สามารถวัดกระแสได้ตั้งแต่ 100 ถึง 5000 แอมป์ โดยมีขนาดหน้าต่างตั้งแต่ 1 นิ้วถึงมากกว่า 12 นิ้ว

บทสรุป

หม้อแปลงกระแสไฟฟ้ามีความสำคัญต่อการวัดและการตรวจสอบกระแสไฟฟ้าแรงสูงให้ปลอดภัย โดยการลดระดับกระแสให้อยู่ในระดับที่จัดการได้ การทำความเข้าใจการทำงาน ประเภท และข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพและปลอดภัยในแอปพลิเคชันไฟฟ้าต่างๆ