V sistemih za merjenje in spremljanje električne energije so povsod prisotni električni števci, ki zahtevajo zunanje tokovne transformatorje (CT); so naše "oči" za natančno zaznavanje velikih tokov. Vendar pa je znotraj tega prefinjenega sistema skrito železno pravilo, ki ga je treba vedno upoštevati: sekundarna stran tokovnega transformatorja ne sme nikoli delovati z odprtim tokokrogom. Ta članek se bo poglobil v temeljna načela in s tem povezane nevarnosti.
Normalni princip delovanja tokovnega transformatorja
CT (Current Transformer) je posebna vrsta transformatorja, ki deluje na principu elektromagnetne indukcije. Njegova temeljna načela zasnove sta "zmanjšanje toka" in "izolacija".
1. Struktura: Običajno je sestavljen iz zaprtega železnega jedra, primarnega navitja z manj zavoji (povezanega zaporedno v glavnem tokokrogu) in sekundarnega navitja z več zavoji (priključenega na števec električne energije).
2. Idealno stanje: V normalnem zaprtem tokokrogu CT deluje v stanju približno "kratkega{1}}vezja". Po Amperovem zakonu vezja in zakonu elektromagnetne indukcije bo primarni tok I1 ustvaril izmenični magnetni tok Φ v železnem jedru, ki bo nato induciral tok I2 na sekundarni strani. Razmerje med obema je naslednje:
Kjer sta N1 in N2 število ovojev v primarnem in sekundarnem navitju, Im pa vzbujalni tok. Zaradi zelo velike impedance vzbujanja in izredno majhnega Im v zasnovi ga je mogoče v idealnih pogojih poenostaviti na naslednje:
Tukaj se Kn nanaša na nazivno razmerje transformacije, kot je 1000/5A. V tem primeru se velik tok na primarni strani natančno in sorazmerno pretvori v majhen tok na sekundarni strani (običajno standardna vrednost 5 A ali 1 A) za varno merjenje instrumenta. Hkrati je potencial sekundarnega tokokroga tokovnega transformatorja (CT) zelo nizek (običajno le nekaj voltov) znotraj varnega območja.
Osnovna analiza, ko je sekundarna stran odprta
Ko se sekundarni tokokrog odpre zaradi ohlapnih sponk, pretrganih žic ali nenamernega odklopa med preskušanjem, se stanje njegovega delovanja katastrofalno spremeni.
| Stanje delovanja | Normalno zapiranje | Odpiranje sekundarne ceste |
|
|
Obstaja, sorazmerno z I1 |
|
|
Φ |
Učinkovito zadušen z razmagnetnim tokom, ki ga ustvarja I2, in ohranja nizko raven | Izguba inhibicije, hitra nasičenost do izjemno visokih vrednosti |
|
|
Zelo nizko (nekaj voltov) | Inducirana je bila visoka napetost na tisoče ali celo deset tisoče voltov. |
| Fizična narava | Močna povezava, globoka negativna povratna informacija: I2 se močno upira spremembam v Φ | Prekinitev povratne zveze in kopičenje energije: vsi primarni amper-ovitki I1 in N1 se uporabljajo za vzbujanje. |
Njegovi osnovni fizični procesi so naslednji:
1: Izginotje razmagnetne povratne informacije
Med normalnim delovanjem je magnetni pretok, ki ga ustvari sekundarni tok I2, vedno v nasprotni smeri od magnetnega pretoka, ki ga ustvari primarni tok I1, kar ustvarja močan učinek "razmagnetenja", ki omeji kombinirani magnetni tok v železnem jedru na nizko raven. Po odprtju vezja se I2=0 in učinek razmagnetenja takoj vrne na nič.
2: Hitra nasičenost magnetnega pretoka
Neuravnoteženi primarni amper-ovitki I1 in N1 se v celoti pretvorijo v magnetizirajoče amper-ovitke. Ker je prerez-jedra zasnovan za nizko gostoto magnetnega pretoka, jedro na tej točki hitro preide v stanje globoke nasičenosti.
V skladu s Faradayevim zakonom elektromagnetne indukcije bo izmenični magnetni tok induciral elektromotorno silo čez navitje. Ko se magnetni pretok močno poveča, se preko sekundarnega navitja inducira izjemno visoka napetost U2.
3: Ustvarjanje visokega tlaka
Pod pogoji električne frekvence lahko za primarni tok nekaj sto amperov inducirana napetost na sekundarni strani odprtega-tokokroga zlahka doseže nekaj tisoč voltov, v skrajnih primerih pa lahko preseže 10 kilovoltov.
Nacionalni standard GB/T 20840.2-2014 "Instrumentalni transformatorji - 2. del: Dodatne tehnične zahteve za tokovne transformatorje" ima stroge zahteve glede izolacijske učinkovitosti instrumentalnih transformatorjev in ta nenadna visoka napetost je daleč presegla svojo običajno konstrukcijsko zmogljivost.
Nevarnosti odprtega tokokroga na sekundarni strani tokovnega transformatorja
Visoka napetost in spremljajoči pojavi, ki jih ustvari sekundarni odprt tokokrog, lahko sprožijo vrsto verižnih reakcij nevarnosti.
1. Nevarnost električnega udara: na sekundarnih sponkah je na tisoče voltov visoke napetosti, kar neposredno predstavlja resno nevarnost električnega udara. Osebje za vzdrževanje in popravilo, ki brez previdnosti pride v stik s to napetostjo, lahko utrpi električni udar.
2. Poškodbe opreme:
Okvara izolacije: Visoka napetost bo najprej poškodovala med-zavoje in med-plastno izolacijo sekundarnega navitja ali razbila izolacijo do ozemljitve v sekundarnem tokokrogu, kar bo povzročilo trajno poškodbo tokovnega transformatorja (CT).
Pregrevanje in izgorelost: Ko je železno jedro močno nasičeno, bo ustvarilo ogromne vrtinčne tokove in histerezne izgube, zaradi česar se bo železno jedro pregrelo, kar lahko izžge izolacijo navitja in celo povzroči požar.
Električni oblok in eksplozija: Točke odprtega tokokroga (kot so ohlapni priključki) bodo ustvarile neprekinjen električni oblok pod visoko napetostjo. Visoka temperatura obloka lahko zažge opremo, vžge okoliške gorljive snovi, plini z visoko{1}}temperaturo, ki se naberejo v zaprtem ohišju, pa lahko celo povzročijo električno eksplozijo.
3. Nevarnosti delovanja sistema
Netočnost in napaka pri merjenju: Pri merilnikih energije tipa CT- ničelni vhodni tok onemogoči merjenje električne energije, kar povzroči izgubo električne energije in morebitne trgovinske spore.
Ustvarjanje nevarnih visoko{0}}napetostnih isker: To ni samo vir vžiga, ampak posledični močni elektromagnetni impulzi lahko motijo tudi bližnjo elektronsko opremo.
Povzemite
Prekinjen tokokrog na sekundarni strani tokovnega transformatorja sproži silovito kopičenje elektromagnetne energije, kar na koncu povzroči fizično katastrofo, ki se kaže kot visoka napetost, močni električni obloki in pregrevanje. Zato je treba pri vseh delih, ki vključujejo tokokroge CT, strogo upoštevati postopek "preprečevanja odprtega tokokroga".
Medtem mora biti sekundarna stran tokovnega transformatorja, ki je priključen na števec električne energije, ozemljena. To, skupaj s "strogo prepovedjo odprtih tokokrogov na sekundarni strani," sta dve osnovni pravili za delovanje in vzdrževanje CT. Po ozemljitvi se lahko visoka napetost, ki je narasla, hitro izprazni na tla skozi ozemljitveno žico, s čimer se izognete izgorelosti opreme ali nesrečam z električnim udarom, ki jih povzroči nenadno povečanje potenciala na sekundarni strani.