Pro měření proudů protékajících jištěnými obvody se dosud běžně používají proudové transformátory s magnetickým jádrem.

Terasaki originálně aplikoval technické řešení využívané v jiné oblasti elektrických měření, zbořil tuto zažitou koncepci a v nové řadě svých vzduchových jističů TemPower 2 nahradil proudové transformátory novými převodníky s výrazně výhodnějšími vlastnostmi.

Měřicí transformátory proudu patří zřejmě k nejrozšířenějším převodníkům pro měření velkých střídavých proudů. Jejich nespornou výhodou je galvanické oddělení měřeného a měřicího obvodu.

Aby však na svém výstupu poskytovaly signál zpracovatelný s dostatečnou přesností, musela být induktivní vazba podpořena feromagnetickým jádrem. Díky malé citlivosti klasických měřicích přístrojů tak s sebou proudové transformátory celou svou dlouhou historii nesou několik podstatných nevýhod. Nejvýznamnější je nelinearita magnetizační charakteristiky (tzn. závislost magnetické indukce B na intenzitě magnetického pole H) feromagnetických materiálů používaných pro výrobu magnetických obvodů. Při určité úrovni intenzity magnetické pole (a tedy při určité velikosti měřeného proudu) dojde k tzv. stavu nasycení, kdy se zásadně změní vlastnosti feromagnetika a magnetizační charakteristika se od svého původního lineárního průběhu výrazně odkloní (viz levou část obrázku 1).

Obr. 1: Magnetizační charakteristiky feromagnetika a vzduchu

Pro zajištění potřebného rozsahu linearity je nutné dostatečně dimenzovat průřez magnetického obvodu proudového transformátoru. Tím však značně narostou jeho rozměry a hmotnost. Pro omezení vlivu ztrát vířivými proudy musí být navíc jádro listěné, tím se komplikuje a prodražuje výroba celého proudového transformátoru.
Všechny uvedené obecné nevýhody měřicích transformátorů proudu se při jejich použití v jisticích přístrojích projevují zvlášť citelně. Z hlediska jištění je velmi nepříjemné, že k nasycení feromagnetického jádra proudového transformátoru dochází v oblasti velkých proudů, tedy právě v oblasti poruchových proudů, jejichž velikost by měla být měřena a vyhodnocována co nejpřesněji. Rovněž velká hmotnost a rozměry proudových transformátorů velmi nepříznivě ovlivňují hmotnost a rozměry celého jisticího přístroje, což se následně projeví většími nároky na prostor. Ani přídavné oteplení způsobené hysterezními ztrátami a ztrátami vířivými proudy nemusí být vždy zanedbatelné.
Z předcházejících odstavců vyplývá, že všechny nevýhodné vlastnosti měřicích transformátorů proudu jsou dány jejich principem a konstrukcí, jsou tedy neodstranitelné a při jakémkoliv použití proudových transformátorů se s nimi musí počítat. Jedinou možností, jak se jejich nepříznivým důsledkům vyhnout, je nahradit proudové transformátory jiným vhodným převodníkem.
Firma Terasaki na základě výzkumu různých principů a technických řešení (mimo jiné např. převodníků využívajících Hallova jevu) nahradila v nové řadě svých vzduchových jističů TemPower 2 konvenční proudové transformátory tzv. Rogowského cívkami. Rogowského cívka (rovněž známa pod označením Rogowského potenciometr, případně Rogowského pásek) se dosud standardně používala k balistickému měření magnetického napětí Um, případně intenzity magnetického pole H. Klasický Rogowského potenciometr má podobu cívky s velkým počtem závitů stejného průřezu navinuté z tenkého drátu (průměr 0,05 ÷ 0,08 mm) obvykle na tenký ohebný pásek z nemagnetického izolačního materiálu. (Ohebné jádro není podmínkou, v některých případech se používají jádra pevná, nicméně vždy nemagnetická a elektricky nevodivá.) Vinutí cívky bývá dvojvrstvé – začíná uprostřed délky pásku, vine se ke kraji, zpět k druhému konci a odtud opět ke středu, vývody jsou u sebe.
Pro aplikaci ve vzduchových jističích byla konstrukce Rogowského cívky částečně upravena. Závity jsou navinuty na uzavřeném pevném jádře obdélníkového průřezu, cívka je zalita pryskyřicí v plastovém nosiči a celek je nasazen na silové přípojnici jističe. Rogowského cívka obklopuje proudovou dráhu, měřený proud protéká „středem“ uzavřeného jádra, schematicky ukazuje dané uspořádání obrázek 2.

Obr. 2: Rogowského cívka

Nejdůležitější vlastnost Rogowského cívky však zůstala zachována, cívka je navinuta na nemagnetickém a elektricky nevodivém jádře. Rozdíl od proudových transformátorů tedy není v principu snímání, vazba mezi měřeným proudem a měřicím obvodem stále zůstává induktivní. Zásadně se však liší vlastnosti obou převodníků. Díky svému nemagnetickému jádru nemá Rogowského cívka žádnou z nevýhod proudových transformátorů. V žádném případě samozřejmě nemůže dojít k jakémukoliv nasycení jádra a Rogowského cívka zůstává lineárním převodníkem pro libovolně velké proudy (viz pravou část obrázku 1). Rozměry Rogowského cívky jsou několikanásobně menší než rozměry odpovídajícího proudového transformátoru. Zatímco se hloubka proudového transformátoru pohybuje mezi 8 ÷ 10 cm, tloušťka příslušné Rogowského cívky je přibližně 12 mm. Hmotnosti obou převodníků jsou již zcela nesrovnatelné - hmotnost Rogowského cívky se udává v desítkách gramů. Vzájemné srovnání proudových transformátorů používaných v předešlé řadě vzduchových jističů Terasaki a Rogowského cívek poprvé použitých v nové řadě TemPower 2 poskytuje obrázek 3.

Obr. 3: Srovnání proudových transformátorů a Rogowského cívky

Nutně se nabízí otázka, proč se výhodných vlastností Rogowského cívky nevyužívá v podobných aplikacích už dávno. Již na začátku jsme uvedli, že přítomnost feromagnetického jádra v proudových transformátorech si vynutila malá citlivost dostupných měřicích přístrojů. Tyto přístroje potřebovaly takovou úroveň signálů, kterou mohly poskytnout pouze měřicí transformátory proudu s feromagnetickým jádrem. Teprve pokrok v oblasti elektronických měřicích systémů umožnil vyvinout a vytvořit velmi citlivé měřicí a vyhodnocovací obvody s dostatečně vysokou vstupní impedancí schopné zpracovávat signály na daleko nižších úrovních. Proto mohly být proudové transformátory s feromagnetickým jádrem nahrazeny Rogowského (vzduchovými) cívkami až nyní.

Firma Terasaki se při vývoji nové generace vzduchových jističů řady TemPower 2 neomezila pouze na náhradu proudových transformátorů Rogowského cívkami, ale kompletně přebudovala celou konstrukci jističe. Stejně zásadních změn jako způsob měření proudů doznalo uspořádání hlavních kontaktů včetně vypínacího mechanizmu. Každý hlavní kontakt byl rozdělen na dva samostatné za sebou řazené kontakty se samostatnými zhášecími komorami. Vypínaný proud je tak přerušován na dvou místech (podobně jako u běžných stykačů). Díky tomuto uspořádání hlavních kontaktů se výrazně zkrátil vypínací čas na 30 ms. Vlivem toho se omezuje zatížení kontaktů a redukují škody způsobené průchodem zkratových proudů chráněným zařízením. Dvě části rozděleného vypínacího oblouku jsou intenzivně zhášeny ve dvou samostatných zhášecích komorách, veškerá rekombinace ionizovaného plynu se odehrává pouze uvnitř těchto komor a ven z jističe nevystupují žádné plyny, není proto požadován žádný dodatečný prostor nad ani pod jističem. Velmi výrazně se tak zmenšuje zastavěný objem rozváděče. Při konstrukci kontaktního systému byla kromě toho opuštěna obvyklá koncepce s opalovacími výměnnými kontakty. V případě jejich opotřebení jsou uživatelem vyměněny přímo pevné části hlavních kontaktů (jednoduchá operace trvá přibližně 10 min na 1 pól).

Spolu s konstrukcí silové části jističe byly přepracovány rovněž jeho vyhodnocovací a ovládací obvody. Jsou nabízeny tři základní typy elektronických ochranných nadproudových relé: relé pro všeobecné průmyslové použití a jištění transformátorů, speciální relé pro ochranu generátorů a relé s velmi flexibilní vypínací charakteristikou.

Poskytují následující ochranné funkce:

• Long Time Delay – dlouhodobá spoušť – ochrana proti přetížení
• Short Time Delay – krátkodobá spoušť – ochrana proti zkratům s nastavitelnou dobou vybavení
• Instantaneous Trip – okamžitá spoušť – ochrana proti zkratům s okamžitým vybavením
• Ground Fault Protection – ochrana proti zemnímu spojení
• Neutral Pole Protection – ochrana nulového pólu
• Undervoltage Trip – podpěťová ochrana
• Earth Leakage Trip – ochrana prosakujících proudů
• Reverse Power trip – zpětná wattová ochrana

Ochranná nadproudová relé mají kromě ochranných funkcí i monitorovací schopnost, kdy jsou jejich prostřednictvím snímány a zobrazovány fázové proudy, maximální proud, sdružená napětí, činný a jalový výkon, maximální spotřebovaný výkon, účiník a zpětný výkon. Ochranná relé navíc zobrazují a uchovávají i podmínky vybavení spouští, tzn. skutečnou velikost vypínaného poruchového proudu a čas vypnutí.
Jističe mohou se svým okolím komunikovat buď digitálně prostřednictvím protokolu LonTalk Echelon, nebo analogově přes přímý výstup 4 ÷ 20mA. Umožňují tak pokročilou formu dálkového monitorování a řízení jističů zakomponovaných do rozsáhlých systémů nebo
Provozní spolehlivost jističe je zvyšována autodiagnostikou vnitřních obvodů, kontrolou vybavovací cívky, přímým monitorováním oteplení hlavních kontaktů a sledováním jejich zatěžování.

Díky aplikaci uvedených technických řešení a provedeným konstrukčním úpravám dosahují nové jističe Terasaki TemPower 2 větších výkonů a lepších vlastností při menším celkovém objemu a nižší celkové hmotnosti. Cena jističů pro český trh je přitom velmi konkurenční ve vztahu ke všem zahraničním i domácím výrobcům.

Ing.Jiří Kůs, Lovato s.r.o., Písek

Pokud pracujete v oboru a zajímají vás další podrobnosti, můžete si o ně zažádat níže uvedeným formulářem.