U sistemima za mjerenje i nadzor električne energije, brojila električne energije koja zahtijevaju eksterne strujne transformatore (CT) su sveprisutna; oni su naše "oči" za precizno detektovanje velikih struja. Međutim, unutar ovog sofisticiranog sistema skriveno je jedno čvrsto pravilo koje se mora poštovati u svakom trenutku: sekundarna strana strujnog transformatora nikada ne smije raditi s otvorenim krugom. Ovaj članak će se baviti osnovnim principima i opasnostima koje su uključene.
Normalan princip rada strujnog transformatora
CT (Strujni transformator) je posebna vrsta transformatora koji radi na principu elektromagnetne indukcije. Njegovi osnovni principi dizajna su "smanjenje struje" i "izolacija".
1. Struktura: Tipično se sastoji od zatvorenog gvozdenog jezgra, primarnog namotaja sa manje zavoja (povezanog u seriju u glavnom kolu) i sekundarnog namotaja sa više zavoja (povezanog na brojilo električne energije).
2. Idealno stanje: U normalnom zatvorenom kolu, CT radi u približno "kratkom{1}} stanju". Prema Amperovom zakonu strujnog kola i zakonu elektromagnetne indukcije, primarna struja I1 će generisati naizmenični magnetni tok Φ u gvozdenom jezgru, koji će zatim indukovati struju I2 na sekundarnoj strani. Odnos između njih je sljedeći:
Gdje su N1 i N2 broj zavoja u primarnom i sekundarnom namotaju, a Im je struja pobude. Zbog vrlo velike impedanse pobude i izuzetno malog Im u dizajnu, može se pojednostaviti na sljedeće pod idealnim uvjetima:
Ovdje se Kn odnosi na nazivni omjer transformacije, kao što je 1000/5A. U ovom slučaju, velika struja na primarnoj strani se precizno i proporcionalno pretvara u malu struju na sekundarnoj strani (obično standardna vrijednost od 5A ili 1A) za sigurno mjerenje instrumenta. Istovremeno, potencijal sekundarnog kola strujnog transformatora (CT) je vrlo nizak (obično samo nekoliko volti), unutar sigurnog raspona.
Analiza principa kada je sekundarna strana otvorena
Kada se sekundarni krug otvori zbog labavih terminala, pokidanih žica ili slučajnog isključenja tokom testiranja, njegovo radno stanje prolazi kroz katastrofalnu promjenu.
| Radni status | Normalno zatvaranje | Otvor sekundarnog puta |
|
|
Postoji, proporcionalno I1 |
|
|
Φ |
Efikasno potisnut demagnetizirajućim fluksom koji generiše I2, održavajući nizak nivo | Gubitak inhibicije, brzo zasićenje do ekstremno visokih vrijednosti |
|
|
Veoma niska (nekoliko volti) | Indukovan je visoki napon od hiljada ili čak desetina hiljada volti. |
| Fizička priroda | Jaka sprega, duboka negativna povratna sprega: I2 se snažno opire promjenama Φ | Prekid povratne sprege i akumulacija energije: Svi primarni amper{0}}zavoji I1 i N1 se koriste za pobudu. |
Njegovi osnovni fizički procesi su sljedeći:
1: Nestanak povratne sprege za demagnetizaciju
Tokom normalnog rada, magnetni tok koji stvara sekundarna struja I2 uvijek je u suprotnom smjeru od magnetskog fluksa koji stvara primarna struja I1, stvarajući snažan "demagnetizirajući" efekat koji ograničava kombinovani magnetni tok u željeznom jezgru na nisku razinu. Nakon što se kolo otvori, I2=0, i efekat demagnetiziranja se trenutno vraća na nulu.
2: Brzo zasićenje magnetnog fluksa
Neuravnoteženi primarni amper{0}}zavoji I1 i N1 se u potpunosti pretvaraju u zavoje magnetiziranja ampera{3}}. Pošto je površina poprečnog presjeka-jezgra dizajnirana za nisku gustinu magnetnog fluksa, jezgro u ovoj tački brzo ulazi u stanje dubokog zasićenja.
Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, naizmjenični magnetni tok inducirat će elektromotornu silu preko namotaja. Kada se magnetni tok naglo poveća, preko sekundarnog namotaja će se inducirati ekstremno visok napon U2.
3: Stvaranje visokog pritiska
U uslovima frekvencije struje, za primarnu struju od nekoliko stotina ampera, inducirani napon na sekundarnoj strani otvorenog-kola može lako dostići nekoliko hiljada volti, au ekstremnim slučajevima može premašiti 10 kilovolti.
Nacionalni standard GB/T 20840.2-2014 "Instrumentalni transformatori - Dio 2: Dodatni tehnički zahtjevi za strujne transformatore" ima stroge zahtjeve za performanse izolacije instrumentalnih transformatora, a ovaj iznenadni visoki napon je daleko premašio njegov normalni projektni kapacitet.
Opasnosti od otvorenog kola na sekundarnoj strani strujnog transformatora
Visok napon i prateći fenomeni uzrokovani sekundarnim otvorenim krugom mogu pokrenuti niz lančanih reakcija opasnosti.
1. Opasnost od električnog udara: Hiljade volti visokog napona postoje na sekundarnim terminalima, što direktno predstavlja ozbiljnu opasnost od strujnog udara. Osoblje za održavanje i popravke koje dođe u kontakt s ovim naponom bez mjera opreza može doživjeti strujni udar.
2. Oštećenje opreme:
Slom izolacije: Visok napon će prvo razbiti među-i među-slojnu izolaciju sekundarnog namotaja, ili razbiti izolaciju sa zemljom u sekundarnom kolu, što će dovesti do trajnog oštećenja strujnog transformatora (CT).
Pregrijavanje i sagorijevanje: Kada je gvozdeno jezgro visoko zasićeno, to će stvoriti ogromne vrtložne struje i gubitke na histerezi, uzrokujući pregrijavanje željeznog jezgra, što može izgorjeti izolaciju namotaja i čak uzrokovati požar.
Električni luk i eksplozija: Otvorene tačke (kao što su labavi terminali) će generisati kontinuirani električni luk pod visokim naponom. Visoka temperatura luka može izgorjeti opremu, zapaliti okolne zapaljive materije, a visoko{1}}gasovi akumulirani u zapečaćenom ormariću mogu čak uzrokovati električnu eksploziju.
3. Opasnosti pri radu sistema
Nepreciznost i kvar mjerenja: Za brojila CT- tipa energije, nulta ulazna struja će ih učiniti nesposobnim za mjerenje električne energije, što će rezultirati gubitkom električne energije i potencijalnim trgovinskim sporovima.
Generiranje opasnih visoko-naponskih iskri: ovo nije samo izvor paljenja, već rezultirajući jaki elektromagnetni impulsi također mogu ometati elektronsku opremu u blizini.
Rezimiraj
Otvoreni krug na sekundarnoj strani strujnog transformatora izaziva nasilnu akumulaciju elektromagnetne energije, što u konačnici rezultira fizičkom katastrofom koja se manifestira kao visoki napon, jaki električni lukovi i pregrijavanje. Stoga, u svim radovima koji uključuju CT strujne krugove, "prevencija otvorenih kola" mora se striktno pridržavati kao procedure.
U međuvremenu, sekundarna strana strujnog transformatora spojenog na brojilo električne energije mora biti uzemljena. Ovo su, zajedno sa "strogom zabranom otvorenih kola na sekundarnoj strani", dva osnovna pravila rada i održavanja CT-a. Nakon uzemljenja, visoki napon koji je narastao može se brzo isprazniti na zemlju kroz žicu za uzemljenje, izbjegavajući pregorjevanje opreme ili nesreće zbog strujnog udara uzrokovane naglim porastom sekundarnog bočnog potencijala.