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 nutné vždy dodržiavať: sekundárna strana prúdového transformátora nesmie byť nikdy prevádzkovaná s otvoreným obvodom. Tento článok sa ponorí do základných princípov a súvisiacich nebezpečenstiev.
Normálny prevádzkový princíp prúdových transformátorov
Prúdový transformátor (CT) je špeciálny typ transformátora, ktorý pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie. Jeho základnými princípmi návrhu sú „zníženie prúdu“ a „izolácia“.
Štruktúra
Typicky pozostáva z uzavretého železného jadra, primárneho vinutia s relatívne malým počtom závitov (zapojeného do série v hlavnom obvode) a sekundárneho vinutia s relatívne veľkým počtom závitov (pripojeného k elektromeru).
Ideálny štát
V bežnom uzavretom okruhu CT pracuje v približne „skratovom{0}}obvode“. Podľa Amperovho obvodového zákona a zákona elektromagnetickej indukcie bude primárny prúd I1 generovať striedavý magnetický tok Φ v železnom jadre, ktorý zase indukuje prúd I2 na sekundárnej strane. Vzťah medzi týmito dvoma je:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Kde N1 a N2 sú počet závitov v primárnom a sekundárnom vinutí a Im je budiaci prúd. Vďaka veľkej budiacej impedancii v konštrukcii je Im extrémne malý, takže v ideálnom stave sa dá zjednodušiť na:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ alebo I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Tu je Kn menovitý pomer závitov, napríklad 1000/5A. V tomto čase sa veľký prúd na primárnej strane presne proporcionálne premieňa na malý prúd na sekundárnej strane (zvyčajne štandardná hodnota 5A alebo 1A) pre bezpečné meranie prístrojmi. Súčasne je potenciál sekundárneho okruhu CT veľmi nízky (zvyčajne len niekoľko voltov), v bezpečnom rozsahu.
Principiálna analýza sekundárneho okruhu Otvorený okruh
Keď sa sekundárny okruh otvorí z dôvodov, ako sú uvoľnené svorky, zlomené vodiče alebo náhodné odpojenie počas testovania, jeho prevádzkový stav prejde katastrofickou zmenou.
| Pracovný stav | Normálne zatvorené | Sekundárny otvorený okruh |
|---|---|---|
| Sekundárny prúd I2 | Existuje, proporcionálne k I1 | I2=0 |
| Magnetický tok jadra Φ | Účinne potlačený demagnetizačným tokom generovaným I2, udržiavaným na nízkej úrovni | Stráca potlačenie, rýchlo saturuje na extrémne vysokú hodnotu |
| Sekundárne napätie U2 | Veľmi nízka (niekoľko voltov) | Indukuje vysoké napätie tisíc až desaťtisíc voltov |
| Fyzická esencia | Silná väzba, hlboká negatívna spätná väzba: I2 silne odoláva zmene Φ | Vypnutie spätnej väzby-, akumulácia energie: Všetky primárne ampér{1}}závity I1N1 sa používajú na budenie |
Základný fyzikálny proces je nasledujúci:
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 jadre na nízku úroveň. Po otvorení okruhu I2=0 a demagnetizačný efekt sa okamžite vráti na nulu.
Rýchla saturácia magnetického toku
Primárne ampér-závity I1 a N1, ktoré sú teraz neobmedzené, sú úplne prevedené na magnetizujúce ampér-závity. Keďže plocha prierezu jadra{5}} je navrhnutá pre nízku hustotu magnetického toku, jadro rýchlo vstúpi do stavu hlbokého nasýtenia.
Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie striedavý magnetický tok indukuje elektromotorickú silu cez vinutie. Keď sa magnetický tok dramaticky zvýši, cez sekundárne vinutie sa indukuje extrémne vysoké napätie U2.
Generovanie vysokého napätia
V podmienkach napájacej frekvencie môže pri primárnom prúde niekoľkých stoviek ampérov indukované napätie na sekundárnej strane otvoreného obvodu ľahko dosiahnuť niekoľko tisíc voltov a v extrémnych prípadoch presiahnuť 10 kilovoltov.
Nebezpečenstvo otvoreného okruhu na sekundárnej strane prúdového transformátora
Vysoké napätie a sprievodné javy generované otvoreným obvodom na sekundárnej strane môžu spustiť sériu reťazových reakcií nebezpečenstiev.
Nebezpečenstvo úrazu elektrickým prúdom
Prítomnosť tisícok voltov vysokého napätia na sekundárnych svorkách priamo predstavuje vážne riziko úrazu elektrickým prúdom. Personál údržby a opravy, ktorý príde do kontaktu s týmto napätím bez bezpečnostných opatrení, môže utrpieť zásah elektrickým prúdom.
Poškodenie zariadenia
Porucha izolácie: Vysoké napätie najskôr naruší 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: Bod s otvoreným obvodom (napríklad uvoľnená svorka) vytvorí 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.
Nebezpečenstvá pri prevádzke 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.
Záver
Otvorený obvod na sekundárnej strane prúdového transformátora spúšťa násilnú akumuláciu elektromagnetickej energie, čo v konečnom dôsledku vedie k fyzickej katastrofe prejavujúcej sa ako vysoké napätie, silné elektrické oblúky a prehriatie. Preto sa pri všetkých prácach týkajúcich sa obvodov CT musí prísne dodržiavať "zabránenie otvoreným obvodom".
Súčasne musí byť uzemnená sekundárna strana prúdového transformátora pripojeného k elektromeru. Toto sú spolu s „prísnym zákazom otvorených okruhov na sekundárnej strane“ dve základné pevné pravidlá prevádzky a údržby CT. Uzemnenie umožňuje rýchle vybitie akéhokoľvek vysokonapäťového rázu do zeme cez uzemňovací vodič, čím sa zabráni náhlemu zvýšeniu sekundárneho potenciálu, ktorý by mohol viesť k vyhoreniu zariadenia alebo úrazu elektrickým prúdom.