V sistemih za merjenje in spremljanje moči so merilniki energije, ki zahtevajo zunanje tokovne transformatorje (CT), vseprisotni; so naše "oči" za natančno zaznavanje velikih tokov. Vendar znotraj tega sofisticiranega sistema leži ključno pravilo, ki ga je treba vedno upoštevati: sekundarna stran tokovnega transformatorja ne sme nikoli delovati v stanju odprtega-tokokroga. Ta članek se bo poglobil v načela in nevarnosti v ozadju tega pravila.
Normalni princip delovanja tokovnega transformatorja
Tokovni transformator (CT) je posebna vrsta transformatorja, ki deluje na principu elektromagnetne indukcije. Njegova osnovna zasnova se osredotoča na "zmanjšanje toka" in "izolacijo".
1. Struktura: Običajno je sestavljen iz zaprtega železnega jedra, primarnega navitja z manj obrati (povezanega zaporedno z glavnim vezjem) in sekundarnega navitja z več obrati (povezanega z merilnikom energije).
2. Idealno stanje: V normalno zaprtem tokokrogu CT deluje v stanju približno "kratkega{1}}vezja". Po Amperovem zakonu o vezju in zakonu elektromagnetne indukcije primarni tok I1 ustvarja izmenični magnetni tok Φ v železnem jedru, ta pa inducira tok I2 na sekundarni strani. Razmerje med njima je:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
kjer sta N1 in N2 število ovojev primarnega in sekundarnega navitja, Im pa vzbujalni tok. Zaradi velike impedance vzbujanja v zasnovi je Im zelo majhen, zato ga je v idealnem primeru mogoče poenostaviti na:
Tu je Kn nazivno razmerje transformacije, na primer 1000/5A. V tem času 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 z instrumentom. Hkrati je potencial sekundarnega tokokroga CT zelo nizek (običajno le nekaj voltov), kar je znotraj varnega območja.
Osnovna analiza, ko je sekundarna stran odprt{0}}vezje
Ko se sekundarni tokokrog odpre zaradi ohlapnih sponk, pretrganih žic ali nenamernega odklopa med preskušanjem, se stanje njegovega delovanja katastrofalno spremeni.
| Pogoj delovanja | Običajno zaprto | Sekundarni odprt krog |
|---|---|---|
| Sekundarni tok I₂ |
Sedanjost, sorazmerna z I₁ | I₂ = 0 |
| Jedrni magnetni tok Φ |
Razmagnetni tok, ki ga proizvaja I₂, učinkovito zavira jedrni tok in ohranja nizko raven | Zatiranje je izgubljeno; tok se hitro nasiči na izjemno visoko raven |
| Sekundarna napetost U₂ |
Zelo nizko (nekaj voltov) | Inducirana visoka napetost v razponu od nekaj kilovoltov do deset kilovoltov |
| Fizična narava | Močna povezava, globoka negativna povratna informacija: I₂ močno nasprotuje spremembam v Φ | Povratna povezava prekinjena, kopičenje energije: vsi primarni amper-ovitki (I₁N₁) se uporabljajo za magnetizacijo |
Osnovni fizični procesi so naslednji👇:
1. Izginotje razmagnetne povratne informacije:Med normalnim delovanjem je magnetni tok, 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 omejuje rezultantni magnetni tok v železnem jedru na nizko raven. Ko se vezje odpre, I2=0 in učinek razmagnetenja takoj pade na nič.
2. Hitra nasičenost magnetnega pretoka:Neuravnoteženi primarni amper-ovitki I1N1 se v celoti pretvorijo v vznemirljive amper-ovitke. Ker je prečni-prerez železnega jedra zasnovan za nizko gostoto magnetnega pretoka, železno jedro hitro preide v stanje globoke nasičenosti.
Po Faradayevem zakonu elektromagnetne indukcije inducira izmenični magnetni tok elektromotorno silo na navitjih. S hitrim povečanjem magnetnega pretoka bo v sekundarnem navitju inducirana izjemno visoka napetost U2.
3. Generacija visoke napetosti:V pogojih električne frekvence lahko za primarni tok nekaj sto amperov inducirana napetost na sekundarni strani z odprtim-vezjem zlahka doseže več tisoč voltov, v skrajnih primerih pa lahko preseže 10 kilovoltov.
Nevarnosti odprtega tokokroga na sekundarni strani tokovnega transformatorja.
Visoka napetost in z njo povezani pojavi, ki jih povzroči odprt-sekundarni krog, lahko sprožijo vrsto nevarnosti verižne-reakcije.
1. Nevarnost električnega udara za osebje
Na sponkah sekundarnega ožičenja obstaja na tisoče voltov visoke napetosti, kar neposredno ustvarja resno nevarnost električnega udara. Vzdrževalno in inšpekcijsko osebje lahko utrpi električni udar, če se po nesreči dotakne teh sponk brez ustrezne zaščite.
2. Poškodba opreme
● Okvara izolacije: Visoka napetost bo najprej prekinila izolacijo med zavoji sekundarnega navitja, med plastmi ali izolacijo med sekundarnim tokokrogom in zemljo, kar bo povzročilo trajno poškodbo CT.
● Pregrevanje in gorenje: Ko se jedro močno nasiči, ustvari ogromne izgube zaradi vrtinčnega toka in histereze, kar povzroči pregrevanje jedra. To lahko zažge izolacijo navitja in celo povzroči požar.
● Oblok in eksplozija: Odprte-točke tokokroga (kot so ohlapni priključki) bodo pod visoko napetostjo ustvarile trajne loke. Visoka temperatura oblokov lahko poškoduje opremo, vžge okoliške vnetljive materiale, nakopičen visoko{2}}temperaturni plin v zaprtih omarah pa lahko celo povzroči električno eksplozijo.
3. Nevarnosti za delovanje sistema
Izguba in napaka pri merjenju: pri števcih električne energije tipa CT- vhodni tok postane nič, zaradi česar ne morejo meriti električne energije. To vodi do izgube izmerjene električne energije in lahko sproži spore glede trgovinskih poravnav.
Nevarne visoko{0}}napetostne iskre: ne delujejo samo kot vir vžiga, ampak lahko intenzivni elektromagnetni impulzi, ki jih ustvarjajo, motijo tudi bližnjo elektronsko opremo.
Zaključek
Odprto vezje na sekundarni strani tokovnega transformatorja (CT) sproži silovito kopičenje elektromagnetne energije, ki se na koncu sprosti v obliki visoke napetosti, močnih oblokov in pregrevanja – fizično katastrofalen proces. Zato mora biti pri vseh delih, ki vključujejo tokokroge CT, "preprečevanje odprtih tokokrogov" strogo upoštevan postopek.
Istočasno mora biti sekundarna stran tokovnega transformatorja, ki je priključen na merilnik energije, ozemljena. To, skupaj s "strogo prepovedjo odprtih tokokrogov na sekundarni strani," sta dve osnovni pravili za delovanje in vzdrževanje CT. Ozemljitev omogoča, da se visoka napetost hitro izprazni na tla skozi ozemljitveno žico, kar preprečuje nenadno povečanje potenciala sekundarne strani, ki bi lahko povzročilo poškodbe opreme ali nesreče z električnim udarom.