変流器

変流器は電流を上げたり下げたりする

変流器の構造

交流の電圧は変流器(CT)という機器を用いて、電流を上げたり、下げたりすることができます。
図1は変流器の構造の概念図です。
図1

変流器は、1次巻線・2次巻線・鉄心からなっています。図1は電流計に用いる変流器の図です。1次巻線に流れる負荷電流は変流されて2次巻線に出力されます。
大電流の測定には、大電流を電流計に流すことは危険であるため、変流器を用いて電流を下げ、電流計に流します。

どうして変流できるのか？

図2は損失が0の変流器の1次巻線にI1[A]を流したときの図です。
図2

変流器のI1[A]を流すと、鉄心の中に磁束が発生します。磁束は鉄心を通じて2次側の巻線と交わります。
磁束が巻線と交わることを鎖交するといいます。
コイルは鎖交する磁束の変化を妨げようとする電圧を発生します。つまり、1次巻線によって作られた磁界φ[wb]を打ち消そうとする電圧を2次巻線に誘起します。この電圧を誘導起電力といいます。
このときの1次電流と2次電流の関係は
I1/I2=N2/N1
となります。 右辺のN1/N2を変流比といいます。

変流器の2次側は開放禁止

1次電流が流れている状態で2次側を開放すると危険

変流器は、変圧器とは異なり、変流器1次側の電流が負荷電流であるため、変流器2次側に関係なく流れます。つまり、変流器2次側が短絡してあっても、開放してあっても流れます。
変流器2次側を開放した状態で変流器1次側に電流を流すと、1次電流はすべて鉄心内に磁束をつくるために流れることになり、鉄心内の磁束が飽和状態となり鉄心が過熱します。
この飽和した磁束は矩形波となるため、正弦波よりも半サイクルごとの0点を通過するときの磁束変化率が大きくなります。
コイルに鎖交する磁束Φ[wb]と、コイルに発生する電圧e[V]の関係は
e=NdΦ/dt
N：コイルの巻数[回]　t：時間[秒]
という関係があります。
dΦ/dtは単位時間当たりの磁束変化率ですので、磁束変化率が大きくなると変流器2次側に異常な高電圧が発生し、変流器や変流器2次側に接続された機器が絶縁破壊を起こす危険性があります。そのため、変流器2次側回路にはヒューズを使用することもできません。
また、変流器2次側は短絡しても、変流器1次側の電流は負荷電流で定まるため、変流比に応じた電流以上は流れません。
よって、変流器1次側に電流が流れている状態で、変流器2次側の回路を開放するときは、まず変流器2次側端子を短絡する必要があります。

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