Přístrojové transformátory jsou široce využívány v ochranných a měřicích aplikacích. Poskytují výkonný výstupní signál, který vyžadují elektromechanické ochrany. Avšak zavedením mikroprocesorů do ochranný zařízeních již není výkonných výstupních signálů potřeba. Typickým elektromechanických zařízením jsou elektromechanická relé, které zastávají jednoduchou ochranou funkci. Tyto relé nenabízejí žádnou možnost kontroly a ovládání, také jsou bez možnosti vzdálené komunikace.
Zavedením mikroprocesorů do reléové techniky přineslo možnost zkombinovat více ochranných funkcí do jednoho přístroje a přineslo možnosti kontroly a podpory komunikačního rozhraní pro vyšší úroveň řízení a monitorování.
Design klasických indukčních přístrojových transformátorů se nijak zásadně nezměnil, technologie a principy jsou stejné. Uživatelé vyžadují funkčnost, která je dobře známá a je v souladu s požadavky pro připojení elektromechanických zařízení. Možnost přizpůsobení proudových a napěťových přístrojových transformátorů moderním elektronickým ochranám nebyly plně pochopeny, je zde proto prostor k jejich dalšímu rozvoji.

Spolu s klasickými indukčními transformátory došlo k vývoji elektronických přístrojových transformátorů (senzorů). Ty jsou navrženy tak, aby poskytovaly stejné funkce, jako klasické indukční transformátory, jejich principy jsou však zcela odlišné.
Elektronické přístrojové transformátory mohou být navrženy buď s nízkou úrovní výstupního signálu vhodnou pouze pro elektronická zařízení nebo jako senzory s další elektronikou, která signál zesílí až na úroveň požadovanou elektromechanickými relé, nebo mohou být navrženy pouze pro převod analogového signálu na digitální určeného k dalšímu zpracování.

Systémy ochran s elektromechanickým zařízením

Dřívější elektromechanická zařízení byly montovány jako součást primárního systému, trochu jako dnešní jištění pomocí pojistek. Tento typ ochran nepotřeboval externí napájení a nebylo potřeba indukčních přístrojových transformátorů.
Provoz druhé generace elektromechanických ochran byl založen na měření střední hodnoty proudu nebo napětí, popřípadě jejich kombinace. Požadavky kladené na indukční přístrojové transformátory, pokud jde o výkon, byly poměrně vysoké vzhledem k provozním požadavkům elektromechanických relé. Typické zatížení proudového měřicího transformátoru se pohybuje v rozmezí 20 - 30 VA při 5A zatížení. Nové elektromechanické ochrany se stále vyrábějí a používají se v mnoha zemích. Jejich robustní konstrukce, jednoduché uživatelské rozhraní, dlouhá životnost a nízké požadavky na údržbu jsou jejich velkou předností.
V zhledem k nízkému výstupnímu signálu, není možné elektronické přístrojové transformátory připojit k elektromechanickým ochranám. Elektromechanické ochrany obvykle nemají vlastní napájení a proto vyžadují napájení skrz klasické indukční měřicí transformátory. Rozsáhlé využití elektronických měřicích transformátorů nastalo až s příchodem mikroprocesorové techniky.

Systémy ochran s mikroprocesorovým zařízením

Zavedením mikroprocesorů do relé došlo k potřebě zavedení kontrolních funkcí a umožnit následnou komunikaci. Využití procesorů nabízí nevídané možnosti a ohromnou početní sílu, díky čemu je možné získat celou řadu ochranných funkcí v jednom relé.
Možnost komunikace s relé vedla k přirozenému vývoji kombinovaných kontrolních funkcí jako součást ochranných relé. Zrodil se nový koncept - mikroprocesorový napájecí terminál. Ten nabízí programovatelné ochranné funkce, ovládání primárního zařízení, vlastní kontrolu a kontrolu primárního zařízení.
Výkon potřebný pro napájení mikroprocesorových napájecích terminálů je podstatně nižší než pro napájení elektromechanických relé. Typické zatížení proudového transformátoru je v rozmezí 0,05 - 0,5 VA při 1A zátěži.
Využití elektronických měřicích transformátorů umožňuje větší zjednodušení a zmenšení celé aplikace. Díky tomu dochází i ke snížení nákladů systému.

Základní principy elektronických přístrojových transformátorů

Proudové elektronické přístrojové transformátory

Pracují na principu Rogowského cívky, což je v přeneseném slova smyslu přesný lineární senzor proudu pro přesné měření ve velkém rozsahu. Prakticky jde o toroidní cívku bez železného jádra (vzduchovou cívku) umístěnou kolem primárního měřeného vodiče stejným způsobem jako sekundární vinutí měřícího proudového transformátoru. Na rozdíl od něj však výstupní signál z Rogowského cívky není proud, ale napětí. Díky absenci železného jádra nemůže dojít k saturaci.

Obr. 1 Rogovského cívka

Napěťové elektronické přístrojové transformátory

Princip je založen na odporovém nebo kapacitním děliči s převodem 10 000 V : 1 V. Tyto senzory se vyznačují linearitou v celém měřicím rozsahu. Výstupní napětí je přímo úměrné vstupnímu měřenému napětí na primáru. Tvar senzoru je speciálně navržen tak, aby minimalizoval parazitní účinky (kapacitu a indukci).

Obr. 2 Odporový dělič napětí

Kombinované elektronické přístrojové transformátory

Malé rozměry proudových a napěťových senzorů dovolují výrobu i kombinovaných senzorů kompaktních rozměrů.V jednom těle je obsažen proudový a napěťový senzor. Zákazník touto volbou ušetří kolem několik desítek procent nákladů na pořízení a následnou instalaci.

Porovnání klasických indukčních a elektronických přístrojových transformátorů

Absence železných jader v elektronických přístrojových transformátorech umožňuje dosáhnout významného snížení velikosti a tak snadno dosáhnout kombinovaného měření napětí a proudu v jednom těle. Jednoúčelové elektronické přístrojové transformátory mohou být o polovinu menší, než klasické indukční přístrojové transformátory. Již zmiňovaná absence železného jádra a velkých cívek s výrazným podílem mědi vede k velmi nízké hmotnosti. Díky tomu je v rozváděči více místa a celý rozváděče je lehčí, bez ohledu na aplikaci. Možnost vysokého zatížení a zanedbatelné ztráty pak hrají významný přínos ve spotřebě těchto zařízení.
Srovnání celkových nákladů u proudovém transformátoru (600/5/5A, 25VA, cl. 0,5, 5P20) a proudového senzoru je na následujícím obrázku.

Obr. 3 Srovnání celkových nákladů při použití klasického a elektronického přístrojového transformátoru

U porovnání se předpokládá, že indukční proudový transformátor pracuje na svém jmenovitém proudu a jmenovitém zatížení po dobu životnosti 30 let. Jak je vidět, spotřebovaná a rozptýlená energie je během celé životnosti výrazně vyšší než u elektronického přístrojového transformátoru.

Trendy a budoucnost

Elektronické přístrojové transformátory dnes nepokrývají veškeré potřeby zákazníků. Proto se v blízké budoucnosti předpokládá využití obou technologií s rostoucí převahou využívání elektronických přístrojových transformátorů.
Pokud by chtěl zákazní použít konvenční přístrojový transformátor s mikroprocesorovou ochranou, měl by zvlášť dbán na to, aby správně definoval požadované parametry. V mnoha případech uživatelé jednoduše nahradí starý přístrojový transformátor za nový se stejnou specifikací, ale skutečná kritéria moderních ochran jsou odlišná. Přístrojový transformátor pak nemusí plnit správnou funkci a zvyšuje se riziko poruchy.
Použití elektronických přístrojových transformátorů představuje velmi přínosnou volbu. Neexistuje žádné riziko poruch, technologie je navržena tak, aby ji bylo možné napojit na moderní mikroprocesorové ochrany s možností komunikace. Rostoucí zkušenosti a využívání elektronických přístrojových transformátorů přináší kladné odezvy ze stran uživatelů, což podporuje jejich rozvoj a přináší další možnosti využití.
Největší zkušenosti s výrobou elektronických měřicích transformátorů má bezesporu společnost ABB, ta začala s hromadnou výrobou jako první a to již před více jak 15 lety. Díky tomu dosáhla technologického náskoku a vedoucího postavení na trhu.

Zdroj:
• Javora, R., Váňo, P. - Design of Transducers Matching Requirements of Microprocessor-Based Equipment: Electric power engineering, 2010, 431 - 436 s.
• ABB s.r.o. - Current and Voltage Sensor: Technical guide no. 1VLC000579, 2003