Στα συστήματα μέτρησης και παρακολούθησης ισχύος, οι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτούν εξωτερικούς μετασχηματιστές ρεύματος (CT) είναι πανταχού παρόντες. είναι τα «μάτια» μας για την ακριβή αίσθηση των ογκωδών ρευμάτων. Ωστόσο, μέσα σε αυτό το εξελιγμένο σύστημα κρύβεται ένας σιδερένιος κανόνας που πρέπει να τηρείται ανά πάσα στιγμή: η δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή ρεύματος δεν πρέπει ποτέ να λειτουργεί με ανοιχτό κύκλωμα. Αυτό το άρθρο θα εμβαθύνει στις βασικές αρχές και τους κινδύνους που εμπεριέχονται.
Κανονική αρχή λειτουργίας μετασχηματιστών ρεύματος
Ο μετασχηματιστής ρεύματος (CT) είναι ένας ειδικός τύπος μετασχηματιστή που λειτουργεί με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Οι βασικές αρχές σχεδιασμού του είναι η "μείωση ρεύματος" και η "απομόνωση".
Δομή
Συνήθως αποτελείται από έναν κλειστό σιδερένιο πυρήνα, ένα πρωτεύον τύλιγμα με σχετικά μικρό αριθμό στροφών (συνδεδεμένο σε σειρά στο κύριο κύκλωμα) και ένα δευτερεύον τύλιγμα με σχετικά μεγάλο αριθμό στροφών (συνδεδεμένο με τον μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας).
Ιδανική Πολιτεία
Σε ένα κανονικό κλειστό κύκλωμα, ο CT λειτουργεί σε κατάσταση "βραχυκυκλώματος" περίπου. Σύμφωνα με τον νόμο του κυκλώματος του Ampere και τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το πρωτεύον ρεύμα I1 θα δημιουργήσει μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή Φ στον πυρήνα του σιδήρου, η οποία με τη σειρά της προκαλεί ένα ρεύμα I2 στη δευτερεύουσα πλευρά. Η σχέση μεταξύ των δύο είναι:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Όπου N1 και N2 είναι ο αριθμός των στροφών στις πρωτεύουσες και δευτερεύουσες περιελίξεις και Im είναι το ρεύμα διέγερσης. Λόγω της μεγάλης αντίστασης διέγερσης στο σχεδιασμό, το Im είναι εξαιρετικά μικρό, επομένως σε ιδανική κατάσταση, μπορεί να απλοποιηθεί σε:
I1 × N1 ≈ I2 × N2 ή I1/I2 ≈ N2/N1=Kₙ
Εδώ, Kn είναι η ονομαστική αναλογία στροφών, για παράδειγμα, 1000/5A. Αυτή τη στιγμή, το μεγάλο ρεύμα στην κύρια πλευρά μετατρέπεται με ακρίβεια αναλογικά σε ένα μικρό ρεύμα στη δευτερεύουσα πλευρά (συνήθως μια τυπική τιμή 5Α ή 1Α) για ασφαλή μέτρηση από όργανα. Ταυτόχρονα, το δυναμικό του δευτερεύοντος κυκλώματος του CT είναι πολύ χαμηλό (συνήθως μόνο λίγα βολτ), εντός ασφαλούς εύρους.
Αρχική Ανάλυση Ανοιχτού Κυκλώματος δευτερεύοντος κυκλώματος
Όταν το δευτερεύον κύκλωμα είναι ανοιχτό για λόγους όπως χαλαρούς ακροδέκτες, σπασμένα καλώδια ή τυχαία αποσύνδεση κατά τη διάρκεια της δοκιμής, η κατάσταση λειτουργίας του υφίσταται μια καταστροφική αλλαγή.
| Κατάσταση Εργασίας | Κανονικό κλειστό | Δευτερεύον ανοιχτό κύκλωμα |
|---|---|---|
| Δευτερογενές ρεύμα I2 | Υπάρχει, ανάλογο του Ι1 | I2=0 |
| Μαγνητική Ροή Πυρήνα Φ | Καταστέλλεται αποτελεσματικά από τη ροή απομαγνητισμού που παράγεται από το I2, διατηρείται σε χαμηλό επίπεδο | Χάνει την καταστολή, κορεστεί γρήγορα σε εξαιρετικά υψηλή τιμή |
| Δευτερεύουσα τάση U2 | Πολύ χαμηλή (αρκετά βολτ) | Προκαλεί υψηλή τάση χιλιάδων έως και δεκάδων χιλιάδων βολτ |
| Φυσική Ουσία | Ισχυρή σύζευξη, βαθιά αρνητική ανάδραση: Το I2 αντιστέκεται σθεναρά στην αλλαγή του Φ | Διακοπή ανάδρασης-απενεργοποίηση, συσσώρευση ενέργειας: Όλες οι στροφές του πρωτεύοντος αμπέρ-I1N1 χρησιμοποιούνται για διέγερση |
Η βασική φυσική διαδικασία είναι η εξής:
Εξαφάνιση της Απομαγνητιστικής Ανάδρασης
Κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας, η μαγνητική ροή που δημιουργείται από το δευτερεύον ρεύμα I2 είναι πάντα στην αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που παράγεται από το πρωτεύον ρεύμα I1, δημιουργώντας ένα ισχυρό φαινόμενο "απομαγνητισμού" που περιορίζει τη συνδυασμένη μαγνητική ροή στον πυρήνα σε χαμηλό επίπεδο. Αφού ανοίξει το κύκλωμα, I2=0 και το φαινόμενο απομαγνητισμού επιστρέφει αμέσως στο μηδέν.
Ταχύς κορεσμός της μαγνητικής ροής
Οι στροφές του πρωτεύοντος αμπέρ-I1 και N1, τώρα ασυγκράτητες, μετατρέπονται εξ ολοκλήρου σε μαγνητιστικές στροφές αμπέρ-. Δεδομένου ότι η περιοχή διατομής-του πυρήνα έχει σχεδιαστεί για χαμηλή πυκνότητα μαγνητικής ροής, ο πυρήνας εισέρχεται γρήγορα σε κατάσταση βαθέως κορεσμού.
Σύμφωνα με το νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, η εναλλασσόμενη μαγνητική ροή προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη κατά μήκος της περιέλιξης. Όταν η μαγνητική ροή αυξάνεται δραματικά, μια εξαιρετικά υψηλή τάση U2 θα προκληθεί κατά μήκος της δευτερεύουσας περιέλιξης.
Παραγωγή Υψηλής Τάσης
Υπό συνθήκες συχνότητας ισχύος, για πρωτεύον ρεύμα αρκετών εκατοντάδων αμπέρ, η επαγόμενη τάση σε μια δευτερεύουσα πλευρά ανοιχτού κυκλώματος-μπορεί εύκολα να φτάσει πολλές χιλιάδες βολτ και σε ακραίες περιπτώσεις να υπερβεί τα 10 κιλοβολτ.
Κίνδυνοι ανοιχτού κυκλώματος στη δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή ρεύματος
Η υψηλή τάση και τα συνοδευτικά φαινόμενα που δημιουργούνται από ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δευτερεύουσα πλευρά μπορούν να πυροδοτήσουν μια σειρά από αλυσιδωτές αντιδράσεις κινδύνου.
Κίνδυνος ηλεκτροπληξίας
Η παρουσία χιλιάδων βολτ υψηλής τάσης στους δευτερεύοντες ακροδέκτες αποτελεί άμεσα σοβαρό κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Το προσωπικό συντήρησης και επισκευής που έρχεται σε επαφή με αυτήν την τάση χωρίς προφυλάξεις μπορεί να υποστεί ηλεκτροπληξία.
Βλάβη εξοπλισμού
Βλάβη μόνωσης: Η υψηλή τάση πρώτα θα διασπάσει τη μόνωση μεταξύ-περιστροφής και μεταξύ-στρωματικής μόνωσης του δευτερεύοντος τυλίγματος ή θα σπάσει τη μόνωση στη γείωση στο δευτερεύον κύκλωμα, οδηγώντας σε μόνιμη βλάβη στον μετασχηματιστή ρεύματος (CT).
Υπερθέρμανση και εξάντληση: Όταν ο πυρήνας του σιδήρου είναι πολύ κορεσμένος, θα δημιουργήσει τεράστια δινορεύματα και απώλειες υστέρησης, προκαλώντας την υπερθέρμανση του πυρήνα του σιδήρου, η οποία μπορεί να κάψει τη μόνωση του τυλίγματος και ακόμη και να προκαλέσει πυρκαγιά.
Ηλεκτρικό τόξο και έκρηξη: Ένα σημείο ανοιχτού κυκλώματος (όπως ένας χαλαρός ακροδέκτης) θα δημιουργήσει ένα συνεχές ηλεκτρικό τόξο υπό υψηλή τάση. Η υψηλή θερμοκρασία του τόξου μπορεί να κάψει τον εξοπλισμό, να αναφλέξει τα γύρω εύφλεκτα υλικά και τα αέρια υψηλής θερμοκρασίας- που συσσωρεύονται στο σφραγισμένο ερμάριο μπορεί να προκαλέσουν ακόμη και ηλεκτρική έκρηξη.
Κίνδυνοι λειτουργίας συστήματος
Ανακρίβεια και αστοχία μέτρησης: Για μετρητές ενέργειας τύπου CT-, ένα μηδενικό ρεύμα εισόδου θα τους καταστήσει ανίκανους να μετρήσουν ηλεκτρική ενέργεια, με αποτέλεσμα την απώλεια ηλεκτρικής ενέργειας και πιθανές διαφωνίες διευθέτησης εμπορίου.
Δημιουργία επικίνδυνων σπινθήρων υψηλής-Τάσης: Δεν πρόκειται μόνο για πηγή ανάφλεξης, αλλά οι ισχυροί ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί που προκύπτουν μπορούν επίσης να επηρεάσουν τον κοντινό ηλεκτρονικό εξοπλισμό.
Σύναψη
Ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δευτερεύουσα πλευρά ενός μετασχηματιστή ρεύματος πυροδοτεί μια βίαιη συσσώρευση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, με αποτέλεσμα τελικά μια φυσική καταστροφή που εκδηλώνεται ως υψηλή τάση, ισχυρά ηλεκτρικά τόξα και υπερθέρμανση. Ως εκ τούτου, η «αποτροπή ανοιχτών κυκλωμάτων» πρέπει να τηρείται αυστηρά σε όλες τις εργασίες που αφορούν κυκλώματα CT.
Ταυτόχρονα, η δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή ρεύματος που συνδέεται με τον μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας πρέπει να είναι γειωμένη. Αυτό, μαζί με την "αυστηρή απαγόρευση των ανοιχτών κυκλωμάτων στη δευτερεύουσα πλευρά", είναι δύο βασικοί σιδερένιοι κανόνες λειτουργίας και συντήρησης CT. Η γείωση επιτρέπει σε τυχόν υπερτάσεις υψηλής τάσης να εκφορτίζονται γρήγορα στο έδαφος μέσω καλωδίου γείωσης, αποτρέποντας απότομες αυξήσεις στο δευτερεύον δυναμικό που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε εξάντληση του εξοπλισμού ή ατυχήματα ηλεκτροπληξίας.