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 osjećanja 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 strujnih transformatora
Strujni transformator (CT) je posebna vrsta transformatora koji radi na principu elektromagnetske indukcije. Njegovi temeljni principi dizajna su "smanjenje struje" i "izolacija".
Struktura
Obično se sastoji od zatvorene željezne jezgre, primarnog namota s relativno malim brojem zavoja (spojenog u seriju u glavnom krugu) i sekundarnog namota s relativno velikim brojem zavoja (spojenog na mjerač električne energije).
Idealna država
U normalnom zatvorenom krugu, CT radi u stanju približno "kratkog-spoja". Prema Amperovom zakonu strujnog kruga i zakonu elektromagnetske indukcije, primarna struja I1 će generirati izmjenični magnetski tok Φ u željeznoj jezgri, koji zauzvrat inducira 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 namotu, a Im uzbudna struja. Zbog velike pobudne impedancije u dizajnu, Im je izuzetno malen, pa se u idealnom stanju može pojednostaviti na:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ ili I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Ovdje je Kn nazivni omjer okretaja, na primjer, 1000/5A. U ovom se trenutku velika struja na primarnoj strani točno proporcionalno pretvara u malu struju na sekundarnoj strani (obično standardna vrijednost od 5 A ili 1 A) za sigurno mjerenje pomoću instrumenata. Istovremeno, potencijal sekundarnog kruga CT-a je vrlo nizak (obično samo nekoliko volti), unutar sigurnog raspona.
Principijelna analiza otvorenog kruga sekundarnog kruga
Kada se sekundarni strujni krug otvori zbog razloga kao što su labavi terminali, prekinute žice ili slučajno odspajanje tijekom testiranja, njegovo radno stanje prolazi kroz katastrofalnu promjenu.
| Radni status | Normalno zatvoreno | Sekundarni otvoreni krug |
|---|---|---|
| Sekundarna struja I2 | Postoji, proporcionalno I1 | I2=0 |
| Magnetski tok jezgre Φ | Učinkovito potisnut demagnetizirajućim fluksom koji stvara I2, održava se na niskoj razini | Gubi supresiju, brzo se zasiti do ekstremno visoke vrijednosti |
| Sekundarni napon U2 | Vrlo nizak (nekoliko volti) | Izaziva visoki napon od tisuća do čak desetaka tisuća volti |
| Fizička esencija | Jaka sprega, duboka negativna povratna sprega: I2 se snažno opire promjeni Φ | Isključenje-povratne veze, akumulacija energije: Svi primarni amper-zavoji I1N1 koriste se za pobudu |
Osnovni fizički proces je sljedeći:
Nestanak demagnetizirajuće povratne sprege
Tijekom normalnog rada, magnetski tok generiran sekundarnom strujom I2 uvijek je u suprotnom smjeru od onog generiranog primarnom strujom I1, stvarajući snažan "demagnetizirajući" učinak koji ograničava kombinirani magnetski tok u jezgri na nisku razinu. Nakon otvaranja strujnog kruga, I2=0, i učinak demagnetiziranja trenutno se vraća na nulu.
Brzo zasićenje magnetskog toka
Primarni amper{0}}zavoji I1 i N1, sada neobuzdani, u potpunosti se pretvaraju u magnetizirajuće amper-zavoje. Budući da je površina presjeka jezgre dizajnirana za nisku gustoću magnetskog toka, jezgra brzo ulazi u stanje dubokog zasićenja.
Prema Faradayevom zakonu elektromagnetske indukcije, izmjenični magnetski tok inducira elektromotornu silu preko namota. Kad se magnetski tok dramatično poveća, na sekundarnom namotu inducirat će se iznimno visok napon U2.
Generacija visokog napona
U 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, premašiti 10 kilovolti.
Opasnosti od otvorenog kruga na sekundarnoj strani strujnog transformatora
Visoki napon i popratni fenomeni koje stvara otvoreni strujni krug na sekundarnoj strani mogu pokrenuti niz lančanih reakcija opasnosti.
Opasnost od električnog udara
Prisutnost tisuća volti visokog napona na sekundarnim terminalima 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.
Oštećenje opreme
Proboj izolacije: Visoki napon prvo će razbiti među{0}}zavoje i među-slojnu izolaciju sekundarnog namota ili će 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: točka otvorenog strujnog kruga (kao što je labav terminal) generira 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.
Opasnosti u radu sustava
Netočnost i kvar u mjerenju: Za mjerače energije tipa CT-, 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 i rezultirajući jaki elektromagnetski impulsi mogu ometati obližnju elektroničku opremu.
Zaključak
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 se "sprečavanje otvorenih strujnih krugova" mora strogo pridržavati u svim radovima koji uključuju CT krugove.
Istovremeno, sekundarna strana strujnog transformatora spojena na brojilo 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. Uzemljenje omogućuje da se svi visokonaponski udari brzo isprazne u zemlju putem žice za uzemljenje, sprječavajući nagla povećanja sekundarnog potencijala koja bi mogla dovesti do pregorjevanja opreme ili strujnog udara.