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 acest sistem sofisticat este ascunsă 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 transformatoarelor de curent
Un transformator de curent (CT) este un tip special de transformator care funcționează pe principiul inducției electromagnetice. Principiile sale de bază de proiectare sunt „reducerea curentului” și „izolare”.
Structura
De obicei, constă dintr-un miez de fier închis, o înfășurare primară cu un număr relativ mic de spire (conectate în serie în circuitul principal) și o înfășurare secundară cu un număr relativ mare de spire (conectată la contorul de electricitate).
Stare ideală
Într-un circuit închis normal, CT funcționează într-o stare de aproximativ „scurt-circuit”. Conform legii circuitului lui Ampere și legii inducției electromagnetice, curentul primar I1 va genera un flux magnetic alternativ Φ în miezul de fier, care la rândul său induce un curent I2 pe partea secundară. Relația dintre cei doi este:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Unde N1 și N2 sunt numărul de spire în înfășurările primare și secundare, iar Im este curentul de excitație. Datorită impedanței mari de excitație din design, Im este extrem de mic, astfel încât într-o stare ideală, poate fi simplificat la:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ sau I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Aici, Kn este raportul nominal al spirelor, de exemplu, 1000/5A. În acest moment, curentul mare de pe partea primară este convertit cu precizie proporțional într-un curent mic pe partea secundară (de obicei o valoare standard de 5A sau 1A) pentru măsurarea sigură de către instrumente. Simultan, potențialul circuitului secundar al TC este foarte scăzut (de obicei doar câțiva volți), într-un interval de siguranță.
Analiza de principiu a circuitului secundar circuit deschis
Atunci când circuitul secundar devine deschis din motive precum terminale slăbite, fire rupte sau deconectare accidentală în timpul testării, starea de funcționare a acestuia suferă o schimbare catastrofală.
| Stare de lucru | Normal închis | Circuit deschis secundar |
|---|---|---|
| Curentul secundar I2 | Există, proporțional cu I1 | I2=0 |
| Fluxul magnetic al miezului Φ | Suprimat efectiv de fluxul demagnetizant generat de I2, menținut la un nivel scăzut | Pierde suprimarea, se saturează rapid la o valoare extrem de ridicată |
| Tensiune secundară U2 | Foarte scăzut (mai mulți volți) | Induce tensiune înaltă de la mii până la zeci de mii de volți |
| Esența fizică | Cuplare puternică, feedback negativ profund: I2 rezistă puternic la schimbarea lui Φ | Oprire-feedback-ul, acumulare de energie: toate viraje-primare de amperi I1N1 sunt folosite pentru excitare |
Procesul fizic de bază este după cum urmează:
Dispariția feedback-ului demagnetizant
În timpul funcționării normale, fluxul magnetic generat de curentul secundar I2 este întotdeauna în direcția opusă celui generat de curentul primar I1, creând un efect puternic de „demagnetizare” care limitează fluxul magnetic combinat din miez la un nivel scăzut. După ce circuitul este deschis, I2=0, iar efectul de demagnetizare revine instantaneu la zero.
Saturarea rapidă a fluxului magnetic
Turnurile primare de amper-I1 și N1, acum nerestricționate, sunt convertite în întregime în rotații de amper-magnetizante. Deoarece aria secțiunii transversale-miezului este proiectată pentru o densitate scăzută a fluxului magnetic, miezul intră rapid într-o stare de saturație profundă.
Conform legii lui Faraday a inducției electromagnetice, fluxul magnetic alternant induce o forță electromotoare peste înfășurare. Când fluxul magnetic crește dramatic, o tensiune extrem de mare U2 va fi indusă pe înfășurarea secundară.
Generarea de înaltă tensiune
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, depășește 10 kilovolți.
Pericole de circuit deschis pe partea secundară a transformatorului de curent
Tensiunea înaltă și fenomenele însoțitoare generate de un circuit întrerupt în partea secundară pot declanșa o serie de reacții în lanț de pericole.
Pericol de electrocutare
Prezența a mii de volți de înaltă tensiune la bornele secundare constituie direct un risc grav de electrocutare. Personalul de întreținere și reparații care intră în contact cu această tensiune fără precauții poate suferi șoc electric.
Deteriorarea echipamentelor
Defecțiunea izolației: tensiunea înaltă va sparge mai întâi izolația inter-turn și inter-strat a înfășurării secundare sau 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, determinând supraîncălzirea miezului de fier, ceea ce poate arde izolația înfășurării și chiar poate provoca un incendiu.
Arc electric și explozie: un punct de circuit deschis (cum ar fi un terminal liber) va 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.
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.
Concluzie
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, „prevenirea circuitelor deschise” trebuie respectată cu strictețe în toate lucrările care implică circuite CT.
Simultan, 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 două reguli fundamentale de funcționare și întreținere CT. Împământarea permite ca orice supratensiune înaltă să fie descărcată rapid la pământ printr-un fir de împământare, prevenind creșterile bruște ale potențialului secundar care ar putea duce la arderea echipamentului sau accidente de șoc electric.