În sistemele de măsurare și monitorizare a puterii, contoarele de energie care necesită transformatoare de curent externe (CT) sunt omniprezente; sunt „ochii” noștri pentru a sesiza cu precizie curenții mari. Cu toate acestea, în cadrul acestui sistem sofisticat se află o regulă crucială care trebuie respectată întotdeauna: partea secundară a transformatorului de curent nu trebuie să fie niciodată operată într-o stare de-circuit deschis. Acest articol va aprofunda principiile și pericolele din spatele acestei reguli.
Principiul normal de funcționare al unui transformator de curent
Un transformator de curent (CT) este un tip special de transformator care funcționează pe principiul inducției electromagnetice. Designul său de bază se concentrează pe „reducerea curentului” și „izolare”.
1. Structură: Constă de obicei dintr-un miez de fier închis, o înfășurare primară cu mai puține spire (conectată în serie cu circuitul principal) și o înfășurare secundară cu mai multe spire (conectată la contorul de energie).
2. Stare ideală: Într-un circuit normal închis, CT funcționează într-o stare de aproximativ „scurt-circuit”. Conform legii circuitelor lui Ampere și legii inducției electromagnetice, curentul primar I1 generează un flux magnetic alternativ Φ în miezul de fier, care la rândul său induce un curent I2 în partea secundară. Relația dintre ei este:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
unde N1 și N2 sunt numărul de spire ale înfășurărilor primare și secundare, iar Im este curentul de excitație. Datorită impedanței mari de excitație din design, Im este foarte mic, așa că, în cazul ideal, poate fi simplificat astfel:
Aici, Kn este raportul de transformare nominal, de exemplu, 1000/5A. În acest moment, curentul mare de pe partea primară este convertit cu precizie și proporțional într-un curent mic pe partea secundară (de obicei o valoare standard de 5A sau 1A) pentru măsurarea în siguranță de către instrument. În același timp, potențialul circuitului secundar al TC este foarte scăzut (de obicei doar câțiva volți), ceea ce se află într-un interval de siguranță.
Analiza de principiu atunci când partea secundară este în circuit deschis-
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.
| Condiție de funcționare | În mod normal închis | Circuit deschis secundar |
|---|---|---|
| Curentul secundar I₂ |
Prezent, proporțional cu I₁ | I₂ = 0 |
| Fluxul magnetic al miezului Φ |
Fluxul demagnetizant produs de I₂ suprimă efectiv fluxul de miez, menținând un nivel scăzut | Suprimarea este pierdută; fluxul se saturează rapid la un nivel extrem de ridicat |
| Tensiune secundară U₂ |
Foarte scăzut (cativa volți) | Tensiune înaltă indusă în intervalul de la câțiva kilovolți până la zeci de kilovolți |
| Natura fizică | Cuplare puternică, feedback negativ profund: I₂ se opune puternic schimbărilor în Φ | Feedback întrerupt, acumulare de energie: toate ture-amperii primare (I₁N₁) sunt folosite pentru magnetizare |
Procesele fizice de bază sunt următoarele👇:
1. Dispariția feedback-ului demagnetizant:În timpul funcționării normale, fluxul magnetic generat de curentul secundar I2 este întotdeauna opus în direcție cu fluxul magnetic generat de curentul primar I1, creând un efect puternic de „demagnetizare” care limitează fluxul magnetic rezultat în miezul de fier la un nivel scăzut. După deschiderea circuitului, I2=0, iar efectul de demagnetizare scade instantaneu la zero.
2. Saturarea rapidă a fluxului magnetic:Turnurile primare de amper-dezechilibrate I1N1 sunt convertite în întregime în tururi-de amperi excitante. Deoarece zona secțiunii transversale-miezului de fier este proiectată pentru o densitate scăzută a fluxului magnetic, miezul de fier intră rapid într-o stare de saturație profundă.
Conform legii lui Faraday a inducției electromagnetice, fluxul magnetic alternativ induce o forță electromotoare peste înfășurări. Odată cu creșterea rapidă a fluxului magnetic, o tensiune extrem de mare U2 va fi indusă pe înfășurarea secundară.
3. Generarea de înaltă tensiune:În condiții de frecvență a puterii, pentru un curent primar de câteva sute de amperi, tensiunea indusă pe partea secundară cu circuit deschis-poate atinge cu ușurință câteva mii de volți și, în cazuri extreme, poate depăși 10 kilovolți.
Pericolele unui circuit deschis pe partea secundară a unui transformator de curent.
Tensiunea înaltă și fenomenele asociate cauzate de un circuit secundar deschis-poate declanșa o serie de pericole de-reacție în lanț.
1. Risc de electrocutare pentru personal
Pe bornele cablurilor secundare există mii de volți de înaltă tensiune, creând direct un risc sever de șoc electric. Personalul de întreținere și inspecție poate suferi șoc electric dacă ating accidental aceste terminale fără o protecție adecvată.
2. Deteriorarea echipamentului
● Defecțiunea izolației: Tensiunea înaltă va puncta mai întâi izolația dintre spirele înfășurării secundare, între straturi sau izolația dintre circuitul secundar și masă, ducând la deteriorarea permanentă a TC.
● Supraîncălzire și ardere: După ce miezul devine foarte saturat, generează pierderi enorme de curent turbionar și histerezis, determinând supraîncălzirea miezului. Acest lucru poate arde izolația înfășurării și chiar poate declanșa un incendiu.
● Arc și explozie: Punctele de circuit deschis-(cum ar fi bornele libere) vor genera arcuri susținute sub tensiune înaltă. Temperatura ridicată a arcurilor poate deteriora echipamentele, poate aprinde materialele combustibile din jur, iar gazul-de temperatură ridicată acumulat în dulapurile închise poate provoca chiar o explozie electrică.
3. Pericole pentru funcționarea sistemului
Pierderea și eșecul la măsurare: pentru contoarele de electricitate de tip CT-, curentul de intrare devine zero, ceea ce le face să nu poată măsura electricitatea. Acest lucru duce la pierderea energiei electrice măsurate și poate declanșa dispute cu privire la acordurile comerciale.
Scântei periculoase de -tensiune ridicată: acestea nu numai că acționează ca o sursă de aprindere, dar impulsurile electromagnetice intense pe care le generează pot interfera și cu echipamentele electronice din apropiere.
Concluzie
Un circuit deschis pe partea secundară a unui transformator de curent (CT) declanșează o acumulare violentă de energie electromagnetică, care este eliberată în cele din urmă sub formă de înaltă tensiune, arcuri puternice și supraîncălzire - un proces fizic catastrofal. Prin urmare, în toate lucrările care implică circuite CT, „prevenirea circuitelor deschise” trebuie să fie o procedură respectată cu strictețe.
În același timp, partea secundară a transformatorului de curent conectată la contorul de energie trebuie să fie împământătă. Acestea, împreună cu „interzicerea strictă a circuitelor deschise pe partea secundară”, sunt cele două reguli de bază pentru operarea și întreținerea CT. Împământarea permite ca tensiunea înaltă să fie descărcată rapid la pământ prin firul de împământare, prevenind o creștere bruscă a potențialului secundar care ar putea cauza deteriorarea echipamentului sau accidente de electrocutare.