V systémoch merania a monitorovania energie sú merače energie vyžadujúce externé transformátory prúdu (CT) všadeprítomné; sú našimi „očami“ na presné snímanie veľkých prúdov. V rámci tohto sofistikovaného systému však leží zásadné pravidlo, ktoré treba vždy dodržiavať: sekundárna strana prúdového transformátora nesmie byť nikdy prevádzkovaná v stave otvoreného-obvodu. Tento článok sa ponorí do princípov a nebezpečenstiev tohto pravidla.
Normálny pracovný princíp prúdového transformátora
Prúdový transformátor (CT) je špeciálny typ transformátora, ktorý pracuje na princípe elektromagnetickej indukcie. Jeho základný dizajn sa zameriava na „zníženie prúdu“ a „izoláciu“.
1. Štruktúra: Zvyčajne pozostáva z uzavretého železného jadra, primárneho vinutia s menším počtom závitov (zapojeného do série s hlavným obvodom) a sekundárneho vinutia s viacerými závitmi (pripojeného k meraču energie).
2. Ideálny stav: V normálne uzavretom okruhu CT pracuje v približne „skratovom{1}}obvode“. Podľa Amperovho obvodového zákona a zákona elektromagnetickej indukcie primárny prúd I1 generuje striedavý magnetický tok Φ v železnom jadre, ktorý zase indukuje prúd I2 na sekundárnej strane. Vzťah medzi nimi je:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
kde N1 a N2 sú počty závitov primárneho a sekundárneho vinutia a Im je budiaci prúd. Vzhľadom na veľkú budiacu impedanciu v konštrukcii je Im veľmi malý, takže v ideálnom prípade ho možno zjednodušiť na:
Tu je Kn menovitý transformačný pomer, napríklad 1000/5A. V tomto čase 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 prístrojom. Potenciál sekundárneho okruhu CT je zároveň veľmi nízky (zvyčajne len niekoľko voltov), čo je v bezpečnom rozsahu.
Analýza princípu, keď je sekundárna strana-otvorený okruh
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 zatvorené | Sekundárny otvorený okruh |
|---|---|---|
| Sekundárny prúd I₂ |
Súčasnosť, úmerná I₁ | I₂ = 0 |
| Magnetický tok jadra Φ |
Demagnetizačný tok produkovaný I2 účinne potláča jadrový tok a udržuje nízku úroveň | Potlačenie je stratené; tok rýchlo saturuje na extrémne vysokú úroveň |
| Sekundárne napätie U₂ |
Veľmi nízka (niekoľko voltov) | Indukované vysoké napätie v rozsahu niekoľkých kilovoltov až desiatok kilovoltov |
| Fyzická povaha | Silná väzba, hlboká negatívna spätná väzba: I₂ silne odporuje zmenám v Φ | Spätná väzba je prerušená, akumulácia energie: všetky primárne ampér{0}}závity (I₁N₁) sa používajú na magnetizáciu |
Hlavné fyzikálne procesy sú nasledovné👇:
1. Zmiznutie demagnetizačnej spätnej väzby:Počas normálnej prevádzky je magnetický tok generovaný sekundárnym prúdom I2 vždy opačný v smere k magnetickému toku generovanému primárnym prúdom I1, čo vytvára silný "demagnetizačný" efekt, ktorý obmedzuje výsledný magnetický tok v železnom jadre na nízku úroveň. Po otvorení okruhu I2=0 a demagnetizačný efekt okamžite klesne na nulu.
2. Rýchla saturácia magnetického toku:Nevyvážené primárne ampér-závity I1N1 sú úplne prevedené na vzrušujúce ampér-závity. Keďže prierez železného jadra-je navrhnutý pre nízku hustotu magnetického toku, železné jadro rýchlo prejde do stavu hlbokého nasýtenia.
Podľa Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie, striedavý magnetický tok indukuje elektromotorickú silu cez vinutia. S rýchlym nárastom magnetického toku sa cez sekundárne vinutie indukuje extrémne vysoké napätie U2.
3. Generovanie vysokého napätia:V podmienkach napájacej frekvencie môže pre primárny prúd niekoľko stoviek ampérov indukované napätie na sekundárnej strane otvoreného{0}}obvodu ľahko dosiahnuť niekoľko tisíc voltov a v extrémnych prípadoch môže presiahnuť 10 kilovoltov.
Nebezpečenstvo otvoreného okruhu na sekundárnej strane prúdového transformátora.
Vysoké napätie a súvisiace javy spôsobené sekundárnym otvoreným-obvodom môžu spustiť sériu nebezpečenstva reťazovej{1}}reakcie.
1. Riziko úrazu elektrickým prúdom pre personál
Na svorkách sekundárneho vedenia sú tisíce voltov vysokého napätia, ktoré priamo vytvárajú vážne riziko úrazu elektrickým prúdom. Pracovníci údržby a kontroly môžu utrpieť úraz elektrickým prúdom, ak sa náhodne dotknú týchto svoriek bez náležitej ochrany.
2. Poškodenie zariadenia
● Porucha izolácie: Vysoké napätie najskôr preruší izoláciu medzi závitmi sekundárneho vinutia, medzi vrstvami alebo izoláciu medzi sekundárnym obvodom a zemou, čo vedie k trvalému poškodeniu CT.
● Prehrievanie a horenie: Keď sa jadro stane vysoko nasýteným, generuje enormné vírivé prúdy a hysterézne straty, čo spôsobuje prehriatie jadra. Môže to spáliť izoláciu vinutia a dokonca spôsobiť požiar.
● Oblúk a výbuch: Body otvoreného-obvodu (napríklad uvoľnené vývody) budú generovať trvalé oblúky pod vysokým napätím. Vysoká teplota oblúkov môže poškodiť zariadenie, zapáliť okolité horľavé materiály a nahromadený plyn s vysokou teplotou v uzavretých skriniach môže dokonca spôsobiť elektrickú explóziu.
3. Riziká pre prevádzku systému
Strata a porucha merania: Pre elektromery typu CT- sa vstupný prúd vynuluje, takže nie sú schopné merať elektrinu. To vedie k strate nameranej elektriny a môže viesť k sporom o urovnaní obchodu.
Nebezpečné iskry s vysokým{0}}napätím: Nefungujú len ako zdroj vznietenia, ale intenzívne elektromagnetické impulzy, ktoré generujú, môžu rušiť aj blízke elektronické zariadenia.
Záver
Otvorený obvod na sekundárnej strane prúdového transformátora (CT) spúšťa prudkú akumuláciu elektromagnetickej energie, ktorá sa nakoniec uvoľní vo forme vysokého napätia, silných oblúkov a prehriatia – fyzikálny katastrofický proces. Preto pri všetkých prácach týkajúcich sa obvodov CT musí byť „zabránenie otvoreným obvodom“ prísne dodržiavaným postupom.
Zároveň musí byť uzemnená sekundárna strana prúdového transformátora pripojeného k meraču energie. Toto sú spolu s „prísnym zákazom otvorených okruhov na sekundárnej strane“ dve základné pevné pravidlá pre prevádzku a údržbu CT. Uzemnenie umožňuje rýchle vybitie vysokého napätia do zeme cez uzemňovací vodič, čím sa zabráni náhlemu zvýšeniu potenciálu sekundárnej strany, ktorý by mohol spôsobiť poškodenie zariadenia alebo úraz elektrickým prúdom.