Στα συστήματα μέτρησης και παρακολούθησης ισχύος, οι μετρητές ενέργειας που απαιτούν εξωτερικούς μετασχηματιστές ρεύματος (CT) είναι πανταχού παρόντες. είναι τα «μάτια» μας για την ακριβή αίσθηση μεγάλων ρευμάτων. Ωστόσο, σε αυτό το εξελιγμένο σύστημα βρίσκεται ένας κρίσιμος κανόνας που πρέπει πάντα να τηρείται: η δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή ρεύματος δεν πρέπει ποτέ να λειτουργεί σε κατάσταση ανοιχτού κυκλώματος-. Αυτό το άρθρο θα εμβαθύνει στις αρχές και τους κινδύνους πίσω από αυτόν τον κανόνα.
Η κανονική αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή ρεύματος
Ο μετασχηματιστής ρεύματος (CT) είναι ένας ειδικός τύπος μετασχηματιστή που λειτουργεί με βάση την αρχή της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ο βασικός σχεδιασμός του εστιάζει στη "μείωση ρεύματος" και την "απομόνωση".
1. Δομή: Συνήθως αποτελείται από έναν κλειστό σιδερένιο πυρήνα, ένα πρωτεύον τύλιγμα με λιγότερες στροφές (συνδεδεμένο σε σειρά με το κύριο κύκλωμα) και ένα δευτερεύον τύλιγμα με περισσότερες στροφές (συνδεδεμένο με τον μετρητή ενέργειας).
2. Ιδανική κατάσταση: Σε ένα κανονικά κλειστό κύκλωμα, ο CT λειτουργεί σε κατάσταση περίπου "βραχυκυκλώματος". Σύμφωνα με τον νόμο του κυκλώματος του Ampere και τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το πρωτεύον ρεύμα I1 δημιουργεί μια εναλλασσόμενη μαγνητική ροή Φ στον πυρήνα του σιδήρου, η οποία με τη σειρά της προκαλεί ένα ρεύμα I2 στη δευτερεύουσα πλευρά. Η μεταξύ τους σχέση είναι:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
όπου N1 και N2 είναι ο αριθμός των στροφών του πρωτεύοντος και δευτερεύοντος τυλίγματος και Im είναι το ρεύμα διέγερσης. Λόγω της μεγάλης αντίστασης διέγερσης στο σχεδιασμό, το Im είναι πολύ μικρό, επομένως στην ιδανική περίπτωση, μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:
Εδώ, Kn είναι η ονομαστική αναλογία μετασχηματισμού, για παράδειγμα, 1000/5A. Αυτή τη στιγμή, το μεγάλο ρεύμα στην κύρια πλευρά μετατρέπεται με ακρίβεια και αναλογία σε μικρό ρεύμα στη δευτερεύουσα πλευρά (συνήθως τυπική τιμή 5Α ή 1Α) για ασφαλή μέτρηση από το όργανο. Ταυτόχρονα, το δυναμικό του δευτερεύοντος κυκλώματος του CT είναι πολύ χαμηλό (συνήθως μόνο λίγα βολτ), το οποίο βρίσκεται εντός ασφαλούς εύρους.
Ανάλυση αρχών όταν η δευτερεύουσα πλευρά είναι ανοιχτή-κυκλωμένη
Όταν το δευτερεύον κύκλωμα ανοίγει λόγω χαλαρών ακροδεκτών, σπασμένων καλωδίων ή τυχαίας αποσύνδεσης κατά τη διάρκεια της δοκιμής, η κατάσταση λειτουργίας του υφίσταται μια καταστροφική αλλαγή.
| Κατάσταση Λειτουργίας | Κανονικά κλειστό | Δευτερεύον ανοιχτό κύκλωμα |
|---|---|---|
| Δευτερεύον ρεύμα I₂ |
Παρόν, ανάλογο του I1 | I₂ = 0 |
| Μαγνητική Ροή Πυρήνα Φ |
Η ροή απομαγνητισμού που παράγεται από το I2 καταστέλλει αποτελεσματικά τη ροή του πυρήνα, διατηρώντας ένα χαμηλό επίπεδο | Η καταστολή έχει χαθεί. το flux κορεστεί γρήγορα σε εξαιρετικά υψηλό επίπεδο |
| Δευτερεύουσα Τάση U₂ |
Πολύ χαμηλή (λίγα βολτ) | Επαγόμενη υψηλή τάση στην περιοχή από πολλά κιλοβολτ έως και δεκάδες κιλοβολτ |
| Φυσική Φύση | Ισχυρή σύζευξη, βαθιά αρνητική ανάδραση: Το I2 αντιτίθεται σθεναρά στις αλλαγές στο Φ | Η ανάδραση διακόπηκε, η συσσώρευση ενέργειας: όλες οι στροφές του πρωτεύοντος αμπέρ (I1N1) χρησιμοποιούνται για μαγνήτιση |
Οι βασικές φυσικές διαδικασίες είναι οι εξής:
1. Εξαφάνιση της απομαγνητιστικής ανατροφοδότησης:Κατά την κανονική λειτουργία, η μαγνητική ροή που δημιουργείται από το δευτερεύον ρεύμα I2 είναι πάντα αντίθετη προς τη μαγνητική ροή που παράγεται από το πρωτεύον ρεύμα I1, δημιουργώντας ένα ισχυρό φαινόμενο "απομαγνητισμού" που περιορίζει την προκύπτουσα μαγνητική ροή στον πυρήνα του σιδήρου σε χαμηλό επίπεδο. Αφού ανοίξει το κύκλωμα, I2=0 και το φαινόμενο απομαγνητισμού πέφτει αμέσως στο μηδέν.
2. Ταχύς κορεσμός μαγνητικής ροής:Οι μη ισορροπημένες στροφές πρωτογενούς αμπέρ-I1N1 μετατρέπονται εξ ολοκλήρου σε συναρπαστικές στροφές αμπέρ-. Δεδομένου ότι η περιοχή διατομής-του πυρήνα του σιδήρου έχει σχεδιαστεί για χαμηλή πυκνότητα μαγνητικής ροής, ο πυρήνας του σιδήρου εισέρχεται γρήγορα σε κατάσταση βαθέως κορεσμού.
Σύμφωνα με τον νόμο της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής του Faraday, η εναλλασσόμενη μαγνητική ροή προκαλεί ηλεκτροκινητική δύναμη στις περιελίξεις. Με την ταχεία αύξηση της μαγνητικής ροής, μια εξαιρετικά υψηλή τάση U2 θα προκληθεί κατά μήκος της δευτερεύουσας περιέλιξης.
3. Παραγωγή υψηλής τάσης:Υπό συνθήκες συχνότητας ισχύος, για πρωτεύον ρεύμα αρκετών εκατοντάδων αμπέρ, η επαγόμενη τάση στην ανοικτή-υποκυκλωμένη δευτερεύουσα πλευρά μπορεί εύκολα να φτάσει αρκετές χιλιάδες βολτ και σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να υπερβεί τα 10 κιλοβολτ.
Οι κίνδυνοι ενός ανοιχτού κυκλώματος στη δευτερεύουσα πλευρά ενός μετασχηματιστή ρεύματος.
Η υψηλή τάση και τα σχετικά φαινόμενα που προκαλούνται από ένα δευτερεύον ανοιχτό-κύκλωμα μπορεί να προκαλέσουν μια σειρά κινδύνων αλυσιδωτής-αντίδρασης.
1. Κίνδυνος ηλεκτροπληξίας για το προσωπικό
Χιλιάδες βολτ υψηλής τάσης υπάρχουν στους ακροδέκτες της δευτερεύουσας καλωδίωσης, δημιουργώντας άμεσα σοβαρό κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. Το προσωπικό συντήρησης και επιθεώρησης μπορεί να υποστεί ηλεκτροπληξία εάν αγγίξει κατά λάθος αυτούς τους ακροδέκτες χωρίς την κατάλληλη προστασία.
2. Βλάβη εξοπλισμού
● Βλάβη μόνωσης: Η υψηλή τάση θα διακόψει πρώτα τη μόνωση μεταξύ των δευτερευουσών στροφών περιέλιξης, μεταξύ των στρωμάτων ή τη μόνωση μεταξύ του δευτερεύοντος κυκλώματος και της γείωσης, οδηγώντας σε μόνιμη βλάβη του CT.
● Υπερθέρμανση και καύση: Αφού ο πυρήνας γίνει πολύ κορεσμένος, δημιουργεί τεράστιες απώλειες δινορευμάτων και υστέρησης, προκαλώντας υπερθέρμανση του πυρήνα. Αυτό μπορεί να κάψει τη μόνωση της περιέλιξης και ακόμη και να προκαλέσει πυρκαγιά.
● Τόξο και έκρηξη: Ανοιχτά-σημεία κυκλώματος (όπως χαλαροί ακροδέκτες) θα δημιουργήσουν σταθερά τόξα υπό υψηλή τάση. Η υψηλή θερμοκρασία των τόξων μπορεί να καταστρέψει τον εξοπλισμό, να προκαλέσει ανάφλεξη γύρω από εύφλεκτα υλικά και το συσσωρευμένο αέριο υψηλής θερμοκρασίας στα κλειστά ερμάρια μπορεί να προκαλέσει ακόμη και ηλεκτρική έκρηξη.
3. Κίνδυνοι για τη λειτουργία του συστήματος
Απώλεια και αποτυχία μέτρησης: Για μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας τύπου CT, το ρεύμα εισόδου γίνεται μηδέν, με αποτέλεσμα να μην μπορούν να μετρήσουν την ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό οδηγεί σε απώλεια μετρούμενης ηλεκτρικής ενέργειας και μπορεί να προκαλέσει διαφωνίες για εμπορικούς διακανονισμούς.
Επικίνδυνοι σπινθήρες υψηλής-Τάσης: Δεν λειτουργούν μόνο ως πηγή ανάφλεξης, αλλά οι έντονοι ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί που παράγουν μπορούν επίσης να επηρεάσουν τον κοντινό ηλεκτρονικό εξοπλισμό.
Σύναψη
Ένα ανοιχτό κύκλωμα στη δευτερεύουσα πλευρά ενός μετασχηματιστή ρεύματος (CT) πυροδοτεί μια βίαιη συσσώρευση ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας, η οποία τελικά απελευθερώνεται με τη μορφή υψηλής τάσης, ισχυρών τόξων και υπερθέρμανσης - μια φυσική καταστροφική διαδικασία. Επομένως, σε όλες τις εργασίες που αφορούν κυκλώματα CT, η "αποτροπή ανοιχτών κυκλωμάτων" πρέπει να είναι μια αυστηρά ακολουθούμενη διαδικασία.
Ταυτόχρονα, η δευτερεύουσα πλευρά του μετασχηματιστή ρεύματος που συνδέεται με τον μετρητή ενέργειας πρέπει να είναι γειωμένη. Αυτό, μαζί με την "αυστηρή απαγόρευση των ανοιχτών κυκλωμάτων στη δευτερεύουσα πλευρά", είναι οι δύο βασικοί κανόνες για τη λειτουργία και τη συντήρηση CT. Η γείωση επιτρέπει την γρήγορη εκκένωση της υψηλής τάσης στο έδαφος μέσω του καλωδίου γείωσης, αποτρέποντας μια ξαφνική αύξηση του δευτερεύοντος πλευρικού δυναμικού που θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά στον εξοπλισμό ή ηλεκτροπληξία.