U sustavima za mjerenje i nadzor električne energije, mjerači električne energije koji zahtijevaju vanjske strujne transformatore (CT) su sveprisutni; oni su naše "oči" za točna očitavanja ogromnih struja. Međutim, unutar ovog sofisticiranog sustava skriveno je čvrsto pravilo koje se mora pridržavati u svakom trenutku: sekundarna strana strujnog transformatora nikada ne smije raditi s otvorenim krugom. Ovaj će članak proniknuti u temeljna načela i uključene opasnosti.
Normalni princip rada strujnog transformatora
CT (Current Transformer) je posebna vrsta transformatora koji radi na principu elektromagnetske indukcije. Njegovi temeljni principi dizajna su "smanjenje struje" i "izolacija".
1. Struktura: Obično se sastoji od zatvorene željezne jezgre, primarnog namota s manje zavoja (spojenog u seriju u glavnom krugu) i sekundarnog namota s više zavoja (spojenog na mjerač električne energije).
2. Idealno stanje: U normalnom zatvorenom krugu, CT radi u približno stanju "kratkog{1}}spoja". Prema Amperovom zakonu strujnog kruga i zakonu elektromagnetske indukcije, primarna struja I1 će generirati izmjenični magnetski tok Φ u željeznoj jezgri, koji će zatim inducirati struju I2 na sekundarnoj strani. Odnos između njih dvoje je sljedeći:
Gdje su N1 i N2 broj zavoja u primarnom i sekundarnom namotu, a Im uzbudna struja. Zbog vrlo velike impedancije pobude i izuzetno malog Im u dizajnu, može se pojednostaviti na sljedeće u 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 5 A ili 1 A) za sigurno mjerenje instrumentom. Istovremeno, potencijal sekundarnog kruga strujnog transformatora (CT) je vrlo nizak (obično samo nekoliko volti), unutar sigurnog raspona.
Principijelna analiza kada je sekundarna strana otvorena
Kada se sekundarni strujni krug otvori zbog labavih priključaka, prekinutih žica ili slučajnog odspajanja tijekom testiranja, njegovo radno stanje prolazi kroz katastrofalnu promjenu.
| Radni status | Normalno zatvaranje | Otvaranje sekundarne ceste |
|
|
Postoji, proporcionalno I1 |
|
|
Φ |
Učinkovito potisnut demagnetizirajućim tokom koji stvara I2, održavajući nisku razinu | Gubitak inhibicije, brzo zasićenje do ekstremno visokih vrijednosti |
|
|
Vrlo nizak (nekoliko volti) | Induciran je visok napon od tisuća ili čak desetaka tisuća volti. |
| Fizička priroda | Jaka sprega, duboka negativna povratna sprega: I2 se snažno opire promjenama u Φ | Isključivanje povratne veze i akumulacija energije: Svi primarni amper-zavoji I1 i N1 koriste se za pobudu. |
Njegovi osnovni fizički procesi su sljedeći:
1: Nestanak demagnetizirajuće povratne sprege
Tijekom normalnog rada, magnetski tok generiran sekundarnom strujom I2 uvijek je u suprotnom smjeru od magnetskog toka generiranog primarnom strujom I1, stvarajući snažan "demagnetizirajući" učinak koji ograničava kombinirani magnetski tok u željeznoj jezgri na nisku razinu. Nakon otvaranja strujnog kruga, I2=0, i učinak demagnetiziranja trenutno se vraća na nulu.
2: Brzo zasićenje magnetskog toka
Neuravnoteženi primarni amper-zavoji I1 i N1 u potpunosti se pretvaraju u magnetizirajuće amper-zavoje. Budući da je površina presjeka jezgre dizajnirana za nisku gustoću magnetskog toka, jezgra u ovoj točki brzo ulazi u stanje dubokog zasićenja.
Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, izmjenični magnetski tok inducirat će elektromotornu silu preko namota. Kad se magnetski tok naglo poveća, na sekundarnom namotu inducirat će se iznimno visok napon U2.
3: Stvaranje visokog tlaka
Pod uvjetima frekvencije napajanja, za primarnu struju od nekoliko stotina ampera, inducirani napon na otvorenoj -strani sekundara strujnog kruga može lako doseći nekoliko tisuća volti, a u ekstremnim slučajevima može premašiti 10 kilovolti.
Nacionalni standard GB/T 20840.2-2014 "Mjerni transformatori - 2. dio: Dodatni tehnički zahtjevi za strujne transformatore" ima stroge zahtjeve za izolacijsku izvedbu mjernih transformatora, a ovaj iznenadni visoki napon daleko je premašio svoj normalni projektirani kapacitet.
Opasnosti od prekida kruga na sekundarnoj strani strujnog transformatora
Visoki napon i popratni fenomeni koje stvara sekundarni otvoreni krug mogu pokrenuti niz lančanih reakcija opasnosti.
1. Opasnost od strujnog udara: Na sekundarnim stezaljkama postoje tisuće volti visokog napona, što izravno predstavlja ozbiljan rizik od strujnog udara. Osoblje za održavanje i popravak koje dođe u dodir s ovim naponom bez mjera opreza može pretrpjeti strujni udar.
2. Oštećenje opreme:
Proboj izolacije: Visoki napon će najprije razbiti među{0}}zavoje i među-slojnu izolaciju sekundarnog namota ili razbiti izolaciju prema masi u sekundarnom krugu, što dovodi do trajnog oštećenja strujnog transformatora (CT).
Pregrijavanje i izgaranje: Kada je željezna jezgra jako zasićena, generirat će ogromne vrtložne struje i histerezne gubitke, uzrokujući pregrijavanje željezne jezgre, što može izgorjeti izolaciju namota i čak izazvati požar.
Električni luk i eksplozija: Točke otvorenog strujnog kruga (kao što su labavi terminali) stvarat će kontinuirani električni luk pod visokim naponom. Visoka temperatura luka može izgorjeti opremu, zapaliti okolne zapaljive tvari, a plinovi visoke-temperature nakupljeni u zapečaćenom ormariću mogu čak uzrokovati električnu eksploziju.
3. Opasnosti rada sustava
Netočnost i kvar mjerenja: Za mjerače energije CT-tipa, ulazna struja nula neće moći mjeriti električnu energiju, što će rezultirati gubitkom električne energije i mogućim sporovima oko trgovinske nagodbe.
Stvaranje opasnih visoko{0}}naponskih iskri: ovo nije samo izvor paljenja, već rezultirajući jaki elektromagnetski impulsi također mogu ometati obližnju elektroničku opremu.
Rezimirati
Otvoreni strujni krug na sekundarnoj strani strujnog transformatora izaziva nasilnu akumulaciju elektromagnetske energije, što u konačnici rezultira fizičkom katastrofom koja se očituje kao visoki napon, jaki električni lukovi i pregrijavanje. Stoga, u svim radovima koji uključuju CT krugove, "prevencija otvorenog kruga" mora se strogo pridržavati procedure.
U međuvremenu, sekundarna strana strujnog transformatora spojena na mjerač električne energije mora biti uzemljena. Ovo su, zajedno sa "strogom zabranom otvorenih strujnih krugova na sekundarnoj strani", dva ključna pravila rada i održavanja CT-a. Nakon uzemljenja, visoki napon koji je izbio može se brzo isprazniti na zemlju kroz žicu za uzemljenje, čime se izbjegava izgaranje opreme ili strujni udar uzrokovan naglim porastom potencijala sekundarne strane.