În sistemele de măsurare și monitorizare a puterii, contoarele de energie electrică care necesită transformatoare de curent externe (TC) sunt omniprezente; ei sunt „ochii” noștri pentru a detecta cu precizie curenții masivi. Cu toate acestea, în cadrul acestui sistem sofisticat se ascunde o regulă fermă care trebuie respectată în orice moment: partea secundară a transformatorului de curent nu trebuie să fie niciodată operată cu un circuit deschis. Acest articol va aprofunda principiile care stau la baza și pericolele implicate.
Principiul normal de funcționare al transformatorului de curent
Un CT (transformator de curent) este un tip special de transformator care funcționează pe principiul inducției electromagnetice. Principiile sale de bază de proiectare sunt „reducerea curentului” și „izolare”.
1. Structură: Constă de obicei dintr-un miez de fier închis, o înfășurare primară cu mai puține spire (conectate în serie în circuitul principal) și o înfășurare secundară cu mai multe spire (conectată la contorul de energie electrică).
2. Stare ideală: Într-un circuit închis normal, CT funcționează într-o stare de aproximativ „scurt-circuit”. Conform legii circuitelor lui Ampere și legii inducției electromagnetice, curentul primar I1 va genera un flux magnetic alternativ Φ în miezul de fier, care va induce apoi un curent I2 pe partea secundară. Relația dintre cei doi este următoarea:
Unde N1 și N2 sunt numărul de spire în înfășurările primare și secundare, iar Im este curentul de excitație. Datorită impedanței de excitație foarte mare și Im extrem de mic în proiectare, poate fi simplificată la următoarele în condiții ideale:
Aici, Kn se referă la raportul de transformare nominal, cum ar fi 1000/5A. În acest caz, curentul mare de pe partea primară este convertit precis și proporțional într-un curent mic pe partea secundară (de obicei o valoare standard de 5A sau 1A) pentru măsurarea sigură a instrumentului. Simultan, potențialul circuitului secundar al transformatorului de curent (CT) este foarte scăzut (de obicei doar câțiva volți), într-un interval de siguranță.
Analiza de principiu când partea secundară este deschisă
Când circuitul secundar devine deschis din cauza bornelor slăbite, a firelor rupte sau a deconectarii accidentale în timpul testării, starea lui de funcționare suferă o schimbare catastrofală.
| Starea de funcționare | Închidere normală | Deschiderea drumului secundar |
|
|
Există, proporțional cu I1 |
|
|
Φ |
Suprimat efectiv de fluxul demagnetizant generat de I2, menținând un nivel scăzut | Pierderea inhibiției, saturația rapidă la valori extrem de ridicate |
|
|
Foarte scăzut (mai mulți volți) | A fost indusă tensiune înaltă de mii sau chiar zeci de mii de volți. |
| Natura fizică | Cuplare puternică, feedback negativ profund: I2 rezistă puternic schimbărilor în Φ | Întreruperea feedback-ului și acumularea de energie: toate spirele primare de amper-I1 și N1 sunt utilizate pentru excitare. |
Procesele sale fizice de bază sunt după cum urmează:
1: Dispariția feedback-ului demagnetizant
În timpul funcționării normale, fluxul magnetic generat de curentul secundar I2 este întotdeauna în direcția opusă fluxului magnetic generat de curentul primar I1, creând un efect puternic de „demagnetizare” care limitează fluxul magnetic combinat din miezul de fier la un nivel scăzut. După ce circuitul este deschis, I2=0, iar efectul de demagnetizare revine instantaneu la zero.
2: Saturarea rapidă a fluxului magnetic
Turnurile primare de amper-dezechilibrate I1 și N1 sunt convertite în întregime în spire-de amperi de magnetizare. Deoarece aria secțiunii transversale-miezului este proiectată pentru o densitate scăzută a fluxului magnetic, miezul intră rapid într-o stare de saturație profundă în acest punct.
Conform legii lui Faraday a inducției electromagnetice, fluxul magnetic alternant va induce o forță electromotoare peste înfășurare. Când fluxul magnetic crește brusc, o tensiune extrem de mare U2 va fi indusă pe înfășurarea secundară.
3: Generarea de înaltă presiune
În condiții de frecvență a puterii, pentru un curent primar de câteva sute de amperi, tensiunea indusă pe partea secundară a circuitului deschis-poate atinge cu ușurință câteva mii de volți și, în cazuri extreme, poate depăși 10 kilovolți.
Standardul național GB/T 20840.2-2014 „Transformatoare cu instrumente - Partea 2: cerințe tehnice suplimentare pentru transformatoarele de curent” are cerințe stricte pentru performanța de izolație a transformatoarelor pentru instrumente, iar această tensiune ridicată bruscă a depășit cu mult capacitatea sa normală de proiectare.
Pericole de circuit deschis pe partea secundară a transformatorului de curent
Tensiunea înaltă și fenomenele însoțitoare generate de un circuit deschis secundar pot declanșa o serie de reacții în lanț de pericole.
1. Pericol de șoc electric: la bornele secundare există mii de volți de înaltă tensiune, prezentând direct un risc grav de șoc electric. Personalul de întreținere și reparații care intră în contact cu această tensiune fără precauții poate suferi șoc electric.
2. Deteriorarea echipamentului:
Defectarea izolației: tensiunea înaltă va distruge mai întâi izolația inter-turn și inter-strat a înfășurării secundare sau va rupe izolația la masă în circuitul secundar, ceea ce duce la deteriorarea permanentă a transformatorului de curent (CT).
Supraîncălzire și ardere: Când miezul de fier este foarte saturat, va genera curenți turbionari uriași și pierderi de histerezis, provocând supraîncălzirea miezului de fier, ceea ce poate arde izolația înfășurării și chiar poate provoca un incendiu.
Arc electric și explozie: punctele de circuit deschis (cum ar fi bornele libere) vor genera un arc electric continuu sub tensiune înaltă. Temperatura ridicată a arcului poate arde echipamentul, poate aprinde combustibilii din jur, iar gazele de temperatură înaltă-acumulate în dulapul etanș pot provoca chiar o explozie electrică.
3. Pericole de funcționare a sistemului
Inexactitatea și defecțiunea contorizării: pentru contoarele de energie de tip CT-, un curent de intrare zero le va face să nu poată măsura electricitatea, ducând la pierderea energiei electrice și la potențiale dispute de reglementare comercială.
Generarea de scântei{0}}periculoase de înaltă tensiune: aceasta nu este doar o sursă de aprindere, dar impulsurile electromagnetice puternice rezultate pot interfera și cu echipamentele electronice din apropiere.
Rezuma
Un circuit deschis pe partea secundară a unui transformator de curent declanșează o acumulare violentă de energie electromagnetică, ducând în cele din urmă la o catastrofă fizică manifestată prin tensiune înaltă, arcuri electrice puternice și supraîncălzire. Prin urmare, în toate lucrările care implică circuite CT, „prevenirea circuitului deschis” trebuie respectată cu strictețe ca procedură.
Între timp, partea secundară a transformatorului de curent conectată la contorul de electricitate trebuie să fie împământătă. Aceasta, împreună cu „interzicerea strictă a circuitelor deschise pe partea secundară”, sunt cele două reguli fundamentale de funcționare și întreținere CT. După împământare, tensiunea înaltă care a pătruns poate fi descărcată rapid la pământ prin firul de împământare, evitând arderea echipamentului sau accidentele de electrocutare cauzate de o creștere bruscă a potențialului secundar.