משנה זרם

משנה זרם (משנ"ז) או שנאי זרם הוא מכשיר אלקטרומגנטי המייצר זרם חשמלי על ידי השראה אלקטרומגנטית ממוליך בו זורם זרם חילופין, ושאינו מחובר אליו באופן גלווני. הזרם המופק על ידי המשנ"ז נקרא "זרם משני", ואילו הזרם שמשרה את הזרם המשני קרוי "זרם ראשוני". הזרם המשני יכול שיהיה פורפורציוני לזרם הראשוני ויכול שיהיה קבוע: הדבר תלוי בעוצמת הזרם הראשוני. משני זרם משמשים למדידת זרמים גדולים מאוד אשר לא מאפשרים התקנת אמפרמטר, או כאשר מדובר במתח גבוה מעל 1000 וולט.

מבנה ועיקרון פעולה

שנאי הזרם בנוי מליבה פרומגנטית סגורה, עליה מלופף מוליך חשמלי. כאשר השנאי מותקן על מוליך בו זורם זרם חילופין, מושרה בליבה שטף מגנטי יחסי לעוצמת הזרם, שיוצר שדה מגנטי משתנה. השטף המגנטי שעובר בליבה יוצר במוליך המלופף כוח אלקטרו-מניע (כא"מ) בהתאם לחוק פאראדיי.
תאורטית, יהיה היחס בין הזרם הראשוני למשני תלוי במספר הליפופים (N), והזרם המשני יהיה ביחס הפוך למספר הליפופים. לדוגמה, אם מספר הליפופים הוא מאה, הזרם המשני יהיה קטן פי מאה מהזרם הראשוני. באופן מעשי גם הזרם המשני יוצר שטף מגנטי בליבה, בכיוון ההפוך מהשטף אותו יוצר הזרם הראשוני. הפער בין הזרמים נקרא "זרם מיגנוט" - זהו הזרם שנצרך על מנת לשנות את כיוון השדה המגנטי.
מיגנוט של חומר פרומגנטי נתון להיסטרזיס. לכן, היחס הקבוע בין הזרם הראשוני והמשני נשמר רק בזרמים שגודלם בתחום האזור הליניארי של עקומת המיגנוט. כאשר הזרם הראשוני חלש מדי, הוא אינו מספיק על מנת לשנות את כיוון השטף המגנטי. כאשר הזרם הראשוני חזק מדי הליבה נכנסת למצב רוויה והגדלת הזרם אינה באה לידי ביטוי פורפורציוני בעליית השטף המגנטי.

תכונות

שנאי זרם אינם משמשים כמקורות אנרגיה להפעלת מכשירים. יכולת העברת ההספק של שנאי זרם מוגבלת מאוד, וחיבור של עומס גבוה לצד המשני של השנאי (בדרך כלל מעל 30 וולטאמפר) מוביל להתחממות השנאי ולאובדן יחס ההמרה בין הצד הראשוני למשני. בשל כך, משמשים שנאי זרם למדידות בלבד, כאשר גם חיבור של מכשירי המדידה לשנאי מוגבל ביותר.
על אף ששנאי זרם לא מהווה מקור אנרגיה, על פי תקנות החשמל הוא מהווה מקור מתח, כיוון שבמצב בו הצד המשני לא מחובר המתח בו אינו יציב. במצב עבודה רגיל, מחוברים לשנאי הזרם מכשירי מדידה כגון אמפרמטר, אשר מחוברים בטור ועכבתם זניחה. במצב זה זורם בסליל המשני זרם יחסי לזרם הראשוני והמתח קטן מאוד. ניתוק של המעגל המשני מוביל לעליית צפיפות השטף בליבת השנאי (כיוון שלא נוצר שטף נגדי כאמור לעיל), וכך מתח המעגל הפתוח עלול לעלות לכמה אלפי וולט, לגרום לפריצות בבידוד חשמלי ולסכן אנשים. כדי למנוע זאת, כאשר לא נעשה שימוש בשנאי מדידה החוטים במוצא הסליל המשני מקוצרים זה לזה. הקצר בצד המשני אינו משפיע על הצד הראשוני. בנוסף, אחד הצדדים של הסליל המשני תמיד מוארק - כך המתח מיוצב תמיד לאדמה (בניגוד למצב של מתח צף), והשנאי מוגן גם ממצב של קצר בין הצד הראשוני למשני.
רמת הדיוק של שנאי זרם, כלומר סטיית הזרם המשני מהיחס הנקוב של השנאי, נעה בין 0.1% ל-20% בתלות ביעודו של השנאי. לשנאים שיעודם הפעלה של מערכות הגנה בזמן קצר לא נדרשת רמת דיוק גבוהה, ואילו שנאים שנועדו למניית אנרגיה לצורך תשלום נדרשת רמת דיוק גבוהה.

סוגים

שנאי זרם מסווגים על פי יחס ההמרה שלהם. הצד המשני מוגדר על פי הזרם שיזרום כאשר בצד הראשוני זורם הזרם המרבי האפשרי. הערכים המקובלים הם 5 אמפר (הנפוץ ביותר), 2 אמפר ו-1 אמפר. הזרם הראשוני יכול לקבל ערכים של 10, 12.5, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 ,ו-75 מוכפלים בחזקות של 10 אמפר. למשל, כאשר בצד הראשוני של שנאי 1000/5 יזרום זרם של 600 אמפר, בצידו המשני יזרום זרם של 3 אמפר.
כאמור לעיל, שנאי זרם נבדלים זה מזה גם בדיוק המדידה שלהם. שנאי זרם ברמת דיוק 0.1% משמשים לבדיקות מעבדה הדורשות דיוק גבוה מאוד. רמת דיוק של 0.2%-0.5% משמשת בשנאים למניית אנרגיה. שנאי זרם ברמת דיוק של 1% ומעלה משמשים לפיקוד על הגנות במערכות החשמל.
סיווג נוסף של שנאים הוא לשנאים המודדים זרם על מופע אחד, ושנאים המודדים בו זמנית זרם על כל שלושת המופעים, שנקראים "שנאי מסכם".