V systémoch merania a monitorovania energie sú elektromery, ktoré vyžadujú externé transformátory prúdu (CT), všadeprítomné; sú našimi „očami“ na presné snímanie mohutných prúdov. V tomto dômyselnom systéme sa však skrýva pevné pravidlo, ktoré je potrebné vždy dodržiavať: sekundárna strana prúdového transformátora nesmie byť nikdy prevádzkovaná s otvoreným obvodom. Tento článok sa ponorí do základných princípov a súvisiacich nebezpečenstiev.
Normálny princíp činnosti prúdového transformátora
CT (Current Transformer) je špeciálny typ transformátora, ktorý funguje na princípe elektromagnetickej indukcie. Jeho základnými princípmi návrhu sú „zníženie prúdu“ a „izolácia“.
1. Štruktúra: Typicky pozostáva z uzavretého železného jadra, primárneho vinutia s menším počtom závitov (zapojeného do série v hlavnom obvode) a sekundárneho vinutia s viacerými závitmi (pripojeného k elektromeru).
2. Ideálny stav: V normálnom uzavretom okruhu CT pracuje v približne „skratovom{1}}obvode“. Podľa Amperovho obvodového zákona a zákona elektromagnetickej indukcie primárny prúd I1 vygeneruje v železnom jadre striedavý magnetický tok Φ, ktorý potom indukuje prúd I2 na sekundárnej strane. Vzťah medzi týmito dvoma je nasledujúci:
Kde N1 a N2 sú počet závitov v primárnom a sekundárnom vinutí a Im je budiaci prúd. Vzhľadom na veľmi veľkú budiacu impedanciu a extrémne malé Im v konštrukcii je možné za ideálnych podmienok zjednodušiť na nasledovné:
Tu sa Kn vzťahuje na menovitý transformačný pomer, napríklad 1000/5A. V tomto prípade je veľký prúd na primárnej strane presne a proporcionálne prevedený na malý prúd na sekundárnej strane (zvyčajne štandardná hodnota 5A alebo 1A) pre bezpečné meranie prístroja. Súčasne je potenciál sekundárneho obvodu prúdového transformátora (CT) veľmi nízky (zvyčajne len niekoľko voltov), v bezpečnom rozsahu.
Analýza princípu, keď je sekundárna strana otvorená
Keď sa sekundárny okruh otvorí v dôsledku uvoľnených svoriek, zlomených vodičov alebo náhodného odpojenia počas testovania, jeho prevádzkový stav prechádza katastrofickou zmenou.
| Prevádzkový stav | Normálne zatváranie | Otvorenie sekundárnej cesty |
|
|
Existuje, proporcionálne k I1 |
|
|
Φ |
Účinne potlačený demagnetizačným tokom generovaným I2, udržiavajúc nízku úroveň | Strata inhibície, rýchle nasýtenie na extrémne vysoké hodnoty |
|
|
Veľmi nízka (niekoľko voltov) | Indukovalo sa vysoké napätie tisícok alebo dokonca desaťtisíc voltov. |
| Fyzická povaha | Silná väzba, hlboká negatívna spätná väzba: I2 silne odoláva zmenám v Φ | Prerušenie spätnej väzby a akumulácia energie: Všetky primárne ampér-závity I1 a N1 sa používajú na budenie. |
Jeho základné fyzikálne procesy sú nasledovné:
1: Zmiznutie demagnetizačnej spätnej väzby
Počas normálnej prevádzky je magnetický tok generovaný sekundárnym prúdom I2 vždy v opačnom smere ako magnetický tok generovaný primárnym prúdom I1, čo vytvára silný "demagnetizačný" efekt, ktorý obmedzuje kombinovaný magnetický tok v železnom jadre na nízku úroveň. Po otvorení okruhu I2=0 a demagnetizačný efekt sa okamžite vráti na nulu.
2: Rýchla saturácia magnetického toku
Nevyvážené primárne ampér-závity I1 a N1 sú úplne prevedené na magnetizujúce ampér-závity. Keďže plocha prierezu jadra{5}} je navrhnutá pre nízku hustotu magnetického toku, jadro v tomto bode rýchlo vstúpi do stavu hlbokého nasýtenia.
Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie bude striedavý magnetický tok indukovať elektromotorickú silu cez vinutie. Keď sa magnetický tok prudko zvýši, cez sekundárne vinutie sa indukuje extrémne vysoké napätie U2.
3: Generovanie vysokého tlaku
V podmienkach napájacej frekvencie môže pre primárny prúd niekoľko stoviek ampérov indukované napätie na sekundárnej strane otvoreného obvodu ľahko dosiahnuť niekoľko tisíc voltov a v extrémnych prípadoch môže presiahnuť 10 kilovoltov.
Národná norma GB/T 20840.2-2014 „Prístrojové transformátory – Časť 2: Doplnkové technické požiadavky na prúdové transformátory“ má prísne požiadavky na izolačný výkon prístrojových transformátorov a toto náhle vysoké napätie ďaleko presiahlo jeho normálnu konštrukčnú kapacitu.
Nebezpečenstvo prerušenia obvodu na sekundárnej strane prúdového transformátora
Vysoké napätie a sprievodné javy generované sekundárnym otvoreným obvodom môžu spustiť sériu reťazových reakcií nebezpečenstiev.
1. Nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom: Na sekundárnych svorkách sú tisíce voltov vysokého napätia, ktoré priamo predstavujú vážne riziko úrazu elektrickým prúdom. Personál údržby a opravy, ktorý príde do kontaktu s týmto napätím bez preventívnych opatrení, môže utrpieť zásah elektrickým prúdom.
2. Poškodenie zariadenia:
Porucha izolácie: Vysoké napätie najskôr rozbije medzi-závitovú a medzi{1}}vrstvovú izoláciu sekundárneho vinutia alebo rozbije izoláciu až na zem v sekundárnom obvode, čo vedie k trvalému poškodeniu transformátora prúdu (CT).
Prehriatie a vyhorenie: Keď je železné jadro vysoko nasýtené, bude generovať obrovské vírivé prúdy a hysterézne straty, čo spôsobí prehriatie železného jadra, čo môže spáliť izoláciu vinutia a dokonca spôsobiť požiar.
Elektrický oblúk a explózia: Body s otvoreným obvodom (ako sú uvoľnené svorky) budú generovať súvislý elektrický oblúk pod vysokým napätím. Vysoká teplota oblúka môže spáliť zariadenie, zapáliť okolité horľaviny a plyny s vysokou teplotou nahromadené v uzavretej skrini môžu dokonca spôsobiť elektrický výbuch.
3. Prevádzkové riziká systému
Nepresnosť a zlyhanie merania: V prípade elektromerov typu CT- nulový vstupný prúd znemožní meranie elektriny, čo vedie k strate elektriny a možným sporom o urovnaní obchodu.
Generovanie nebezpečných iskier s vysokým{0}}napätím: Toto nie je len zdroj vznietenia, ale výsledné silné elektromagnetické impulzy môžu rušiť aj blízke elektronické zariadenia.
Zhrnúť
Otvorený obvod na sekundárnej strane prúdového transformátora spúšťa prudkú akumuláciu elektromagnetickej energie, čo v konečnom dôsledku vedie k fyzickej katastrofe prejavujúcej sa ako vysoké napätie, silné elektrické oblúky a prehriatie. Preto pri všetkých prácach týkajúcich sa obvodov CT sa musí prísne dodržiavať „prevencia otvoreného okruhu“ ako postup.
Medzitým musí byť sekundárna strana prúdového transformátora pripojeného k elektromeru uzemnená. Toto sú spolu s „prísnym zákazom otvorených okruhov na sekundárnej strane“ dve základné pevné pravidlá prevádzky a údržby CT. Po uzemnení môže byť vysoké napätie, ktoré sa vznieslo, rýchlo vybité do zeme cez uzemňovací vodič, čím sa zabráni vyhoreniu zariadenia alebo úrazom elektrickým prúdom spôsobeným náhlym zvýšením potenciálu sekundárnej strany.