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 povezane.
Normalni princip rada strujnih transformatora
Strujni transformator (CT) je posebna vrsta transformatora koji radi na principu elektromagnetne indukcije. Njegovi osnovni principi dizajna su "smanjenje struje" i "izolacija".
Struktura
Obično se sastoji od zatvorenog gvozdenog jezgra, primarnog namotaja sa relativno malim brojem zavoja (uključenog serijski u glavno kolo) i sekundarnog namotaja sa relativno velikim brojem zavoja (povezanog na brojilo električne energije).
Idealna država
U normalnom zatvorenom kolu, CT radi u približno "kratkom{0}} stanju". Prema Amperovom zakonu strujnog kola i zakonu elektromagnetne indukcije, primarna struja I1 će generisati naizmenični magnetni tok Φ u gvozdenom jezgru, koji zauzvrat indukuje struju I2 na sekundarnoj strani. Odnos između njih dvoje je:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Gdje su N1 i N2 broj zavoja u primarnom i sekundarnom namotaju, a Im je struja pobude. Zbog velike pobudne impedance u dizajnu, Im je izuzetno mali, pa se u idealnom stanju može pojednostaviti na:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ ili I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Ovdje je Kn nazivni omjer okreta, na primjer, 1000/5A. U ovom trenutku, velika struja na primarnoj strani se precizno proporcionalno pretvara u malu struju na sekundarnoj strani (obično standardna vrijednost od 5A ili 1A) za sigurno mjerenje instrumentima. Istovremeno, potencijal sekundarnog kola CT-a je vrlo nizak (obično samo nekoliko volti), unutar sigurnog raspona.
Analiza principa otvorenog kola sekundarnog kola
Kada se sekundarni krug otvori zbog razloga kao što su labavi terminali, prekinute žice ili slučajno isključenje tokom testiranja, njegovo radno stanje doživljava katastrofalnu promjenu.
| Radni status | Normalno zatvoreno | Sekundarni otvoreni krug |
|---|---|---|
| Sekundarna struja I2 | Postoji, proporcionalno I1 | I2=0 |
| Magnetski tok jezgre Φ | Efikasno potisnut demagnetizirajućim fluksom koji stvara I2, održava se na niskom nivou | Gubi potiskivanje, brzo se zasićuje do izuzetno visoke vrijednosti |
| Sekundarni napon U2 | Veoma niska (nekoliko volti) | Indukuje visoki napon od hiljada do čak desetina hiljada volti |
| Physical Essence | Jaka sprega, duboka negativna povratna sprega: I2 se snažno opire promjeni Φ | Povratna informacija-isključenje, akumulacija energije: svi primarni amper{1}}navoji I1N1 se koriste za pobudu |
Osnovni fizički proces je sljedeći:
Nestanak povratne sprege za demagnetizaciju
Tokom normalnog rada, magnetni tok koji generiše sekundarna struja I2 je uvijek u suprotnom smjeru od onog koji stvara primarna struja I1, stvarajući snažan "demagnetizirajući" efekat koji ograničava kombinovani magnetni tok u jezgru na nisku razinu. Nakon što se kolo otvori, I2=0, i efekat demagnetiziranja se trenutno vraća na nulu.
Rapid Saturation of Magnetic Flux
Primarni amper{0}}zavoji I1 i N1, sada neobuzdani, u potpunosti se pretvaraju u zavoje magnetiziranja ampera{3}}. Pošto je površina poprečnog presjeka-jezgra dizajnirana za nisku gustinu magnetnog fluksa, jezgro brzo ulazi u stanje dubokog zasićenja.
Prema Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije, naizmjenični magnetni tok inducira elektromotornu silu preko namotaja. Kada se magnetni fluks dramatično poveća, preko sekundarnog namotaja će se inducirati izuzetno visok napon U2.
Generisanje visokog napona
U uslovima frekvencije struje, za primarnu struju od nekoliko stotina ampera, inducirani napon na sekundarnoj strani otvorenog-kola lako može doseći nekoliko hiljada volti, au ekstremnim slučajevima i premašiti 10 kilovolti.
Opasnosti od otvorenog kola na sekundarnoj strani strujnog transformatora
Visok napon i prateći fenomeni uzrokovani otvorenim krugom na sekundarnoj strani mogu pokrenuti niz lančanih reakcija opasnosti.
Opasnost od strujnog udara
Prisustvo hiljada volti visokog napona na sekundarnim terminalima direktno predstavlja ozbiljan rizik od strujnog udara. Osoblje za održavanje i popravke koje dođe u kontakt s ovim naponom bez mjera opreza može doživjeti strujni udar.
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: Otvoreno kolo (kao što je labav terminal) će generirati kontinuirani električni luk pod visokim naponom. Visoka temperatura luka može izgorjeti opremu, zapaliti okolne zapaljive materije, a visokotemperaturni plinovi-akumulirani u zapečaćenom ormariću mogu čak uzrokovati električnu eksploziju.
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.
Zaključak
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 se "sprečavanje otvorenih strujnih krugova" mora striktno pridržavati u svim radovima koji uključuju CT kola.
Istovremeno, sekundarna strana strujnog transformatora priključena na brojilo električne energije mora biti uzemljena. Ovo, zajedno sa "strogom zabranom otvorenih kola na sekundarnoj strani", su dva osnovna pravila rada i održavanja CT-a. Uzemljenje omogućava da se bilo koji visokonaponski udari brzo isprazne na zemlju preko žice za uzemljenje, sprečavajući nagla povećanja sekundarnog potencijala koja bi mogla dovesti do izgaranja opreme ili nesreća od strujnog udara.