Verzadiging van de stroomtransformator is een toestand waarin de magnetische kern van de CT zijn maximale fluxcapaciteit bereikt en de primaire stroom niet langer lineair naar het secundaire circuit kan transformeren. Wanneer verzadiging optreedt, reproduceert de CT-uitgang niet langer nauwkeurig de primaire stroomgolfvorm, wat leidt tot vervormde secundaire signalen, meetfouten en mogelijke verkeerde werking van beveiligingsrelais. Het begrijpen van verzadiging is van cruciaal belang voor een juiste CT-selectie en systeemontwerp, vooral voor beveiligingstoepassingen waarbij foutstromen vele malen de nominale waarde kunnen zijn.
De fundamentele oorzaak van verzadiging is het magnetische gedrag van het CT-kernmateriaal. Stroomtransformatoren werken volgens het principe dat de primaire wisselstroom een wisselende magnetische flux in de kern induceert, die op zijn beurt een secundaire spanning en stroom induceert. Deze relatie is lineair zolang de kernflux onder het verzadigingsniveau van het kernmateriaal blijft. Alle magnetische materialen hebben echter een eindige flux-draagkracht. Wanneer de flux dit niveau overschrijdt, wordt gezegd dat de kern verzadigd is en wordt de lineaire relatie tussen primaire en secundaire stromen verbroken.
Verschillende factoren kunnen CT-verzadiging veroorzaken. De meest voorkomende oorzaak is een te hoge primaire stroom, bijvoorbeeld tijdens een storing. Tijdens een hoge foutstroom kan de werkingskarakteristiek van de CT worden verstoord, waardoor een hinderlijke werking van beveiligingsapparatuur ontstaat. Wanneer de primaire stroom de nauwkeurigheidslimiet van de CT overschrijdt, raakt de kern verzadigd en raakt de secundaire stroomgolfvorm vervormd. De grootte van de foutstroom, de DC-component van de foutstroom, de primaire tijdconstante en de remanente flux in de ijzeren kern dragen allemaal bij aan verzadiging.
De DC-component van foutstroom speelt een bijzonder belangrijke rol bij verzadiging. Foutstromen in voedingssystemen bevatten vaak een afnemende DC-offset die de CT-kern sneller in verzadiging kan brengen dan de AC-component alleen. Deze DC-voorspanning kan de verzadiging van beschermende CT's met enkele milliseconden versnellen en de overdrachtsfouten van meet-CT's vergroten. Het effect is het meest uitgesproken in systemen met lange tijdconstanten, zoals systemen met grote inductieve belastingen of lange transmissielijnen.
Remanente flux in de CT-kern is een andere bijdragende factor. Wanneer een CT wordt onderbroken tijdens een fout, kan de kern een resterende magnetische flux vasthouden die in dezelfde richting kan zijn als de flux die wordt geproduceerd door een volgende fout. Deze remanente flux vermindert de beschikbare fluxruimte vóór verzadiging, waardoor de verzadigingsdrempel van de CT effectief wordt verlaagd. Dit fenomeen is vooral problematisch bij differentiële beschermingssystemen waarbij meerdere CT's gecoördineerd moeten opereren.
Het begin van verzadiging kan worden gedetecteerd door de excitatiestroom te observeren. De excitatiekarakteristiek van de CT toont een lineair verband tussen de aangelegde spanning en de excitatiestroom tot aan het kniepunt, waarna de stroom snel toeneemt met kleine spanningsstijgingen. Eenmaal in het verzadigde gebied kan een toename van 10% van de aangelegde spanning een toename van 30% tot 50% van de secundaire stroom veroorzaken, wat aangeeft dat de kern niet langer in staat is om extra flux te ondersteunen.
De effecten van saturatie op de CT-prestaties zijn aanzienlijk. De secundaire stroom raakt vervormd en vertoont doorgaans een piekgolfvorm met een kleiner oppervlak vergeleken met de primaire stroom. Deze vervorming zorgt ervoor dat de effectieve RMS secundaire stroom lager is dan verwacht, wat resulteert in een onder-meting van de primaire stroom. Bij beveiligingstoepassingen kan de vervormde secundaire stroom een slechte werking of bedrijfstijdvertraging van beveiligingsrelais veroorzaken. De vertraging in de werking van het relais kan ernstige gevolgen hebben voor de systeemstabiliteit en de apparatuurbescherming.
De selectie van kernmateriaal speelt een belangrijke rol bij het bepalen van de verzadigingskarakteristieken. Verschillende magnetische materialen-waaronder siliciumstaal, ferriet, permalloy, nanokristallijne en amorfe legeringen-hebben verschillende verzadigingsinductieniveaus en andere magnetische eigenschappen. Siliciumstaal is het meest gebruikte materiaal voor bescherming van CT's vanwege de hoge verzadigingsfluxdichtheid, terwijl nanokristallijne materialen een hogere permeabiliteit en lagere verliezen bieden. Bij de keuze van het kernmateriaal zijn afwegingen- betrokken tussen verzadigingsprestaties, kosten en andere factoren.
Het voorkomen van verzadiging vereist een goed CT-ontwerp en toepassing. De nominale belasting, nauwkeurigheidsklasse en kniepuntspanning van de CT moeten worden geselecteerd om ervoor te zorgen dat de kern in zijn lineaire gebied blijft onder de maximaal verwachte foutstroom. Voor beveiligingstoepassingen specificeert de nauwkeurigheidslimietfactor (ALF) het veelvoud van de nominale primaire stroom waarbij de CT nog steeds zijn gespecificeerde nauwkeurigheid moet behouden. Een CT met een hogere ALF kan hogere foutstromen weerstaan zonder verzadiging. Bovendien helpt het minimaliseren van de secundaire belasting-door het gebruik van relais met lage-belasting, korte kabeltrajecten en een adequate kabeldoorsnede-doorsnede- de fluxruimte van de CT te behouden.
Samenvattend is CT-verzadiging een fundamentele beperking van magnetische-kernstroomtransformatoren die zorgvuldig moet worden beheerd door middel van het juiste ontwerp en de juiste toepassing. Het begrijpen van de oorzaken, gevolgen en preventie van verzadiging is essentieel voor het garanderen van betrouwbare bescherming en nauwkeurige metingen in elektrische energiesystemen.