У системах вимірювання та моніторингу електроенергії лічильники електроенергії, які потребують зовнішніх трансформаторів струму (СТ), є повсюдними; це наші «очі» для точного визначення масивних течій. Однак у цій складній системі приховано залізне правило, якого слід дотримуватися завжди: вторинна сторона трансформатора струму ніколи не повинна працювати з розімкнутим ланцюгом. У цій статті ми розглянемо основні принципи та пов’язані з цим небезпеки.
Нормальний принцип дії трансформатора струму
CT (трансформатор струму) — це особливий тип трансформатора, який працює на основі принципу електромагнітної індукції. Його основні принципи проектування — «зниження струму» та «ізоляція».
1. Структура: зазвичай складається із закритого залізного сердечника, первинної обмотки з меншою кількістю витків (підключеної послідовно в головному ланцюзі) та вторинної обмотки з більшою кількістю витків (підключеної до лічильника електроенергії).
2. Ідеальний стан: у нормальному замкнутому колі КТ працює приблизно в стані «короткого -замикання». Згідно із законом Ампера та законом електромагнітної індукції, первинний струм I1 створюватиме змінний магнітний потік Φ у залізному сердечнику, який потім індукуватиме струм I2 на вторинній стороні. Відносини між ними такі:
Де N1 і N2 - кількість витків в первинній і вторинній обмотках, а Im - струм збудження. Завдяки дуже великому опору збудження та надзвичайно малому Im у конструкції його можна спростити до наступного за ідеальних умов:
Тут Kn відноситься до номінального коефіцієнта трансформації, наприклад 1000/5A. У цьому випадку великий струм на первинній стороні точно і пропорційно перетворюється на малий струм на вторинній стороні (зазвичай стандартне значення 5 А або 1 А) для безпечного вимірювання приладу. Водночас потенціал вторинної обмотки трансформатора струму (КТ) дуже низький (зазвичай лише кілька вольт) у межах безпечного діапазону.
Принциповий аналіз, коли вторинна сторона відкрита
Коли вторинний ланцюг стає розімкнутим через ослаблені клеми, обрив проводів або випадкове від’єднання під час тестування, його робочий стан зазнає катастрофічних змін.
| Робочий стан | Нормальне закриття | Відкриття другорядної дороги |
|
|
Існує, пропорційна I1 |
|
|
Φ |
Ефективно пригнічується розмагнічуючим потоком, створюваним I2, зберігаючи низький рівень | Втрата гальмування, швидке насичення до надзвичайно високих значень |
|
|
Дуже низький (кілька вольт) | Була індукована висока напруга в тисячі або навіть десятки тисяч вольт. |
| Фізична природа | Сильний зв’язок, глибокий негативний зворотний зв’язок: I2 чинить опір змінам Φ | Відсічення зворотного зв’язку та накопичення енергії: усі первинні ампер-витки I1 і N1 використовуються для збудження. |
Його основні фізичні процеси такі:
1: Зникнення розмагнічувального зворотного зв'язку
Під час нормальної роботи магнітний потік, створюваний вторинним струмом I2, завжди має протилежний напрямок до магнітного потоку, створюваного первинним струмом I1, створюючи сильний ефект «розмагнічування», який обмежує сумарний магнітний потік у залізному сердечнику до низького рівня. Після розмикання ланцюга I2=0, і ефект розмагнічування миттєво повертається до нуля.
2: Швидке насичення магнітного потоку
Незбалансовані первинні ампер-витки I1 і N1 повністю перетворюються на ампер-намагнічування. Оскільки площа поперечного-перерізу сердечника розроблена для низької щільності магнітного потоку, у цій точці сердечник швидко переходить у стан глибокого насичення.
Відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея, змінний магнітний потік буде індукувати електрорушійну силу в обмотці. Коли магнітний потік різко зростає, на вторинній обмотці індукується надзвичайно висока напруга U2.
3: Генерація високого тиску
За умов частоти мережі, для первинного струму в кілька сотень ампер, індукована напруга на вторинній стороні відкритого-ланцюга може легко сягати кількох тисяч вольт, а в екстремальних випадках може перевищувати 10 кіловольт.
Національний стандарт GB/T 20840.2-2014 «Вимірювальні трансформатори – Частина 2: Додаткові технічні вимоги до трансформаторів струму» містить суворі вимоги до характеристик ізоляції вимірювальних трансформаторів, і ця раптова висока напруга значно перевищила свою звичайну проектну потужність.
Небезпека розриву ланцюга на вторинній стороні трансформатора струму
Висока напруга та супутні явища, спричинені вторинним розривом ланцюга, можуть викликати низку ланцюгових реакцій небезпеки.
1. Небезпека ураження електричним струмом: тисячі вольт високої напруги існують на вторинних клемах, що безпосередньо створює серйозний ризик ураження електричним струмом. Персонал з технічного обслуговування та ремонту, який контактує з цією напругою без запобіжних заходів, може отримати ураження електричним струмом.
2. Пошкодження обладнання:
Порушення ізоляції: висока напруга спершу зруйнує міжвиткову та між-шарову ізоляцію вторинної обмотки або порушить ізоляцію на землю у вторинній ланцюзі, що призведе до незворотного пошкодження трансформатора струму (КТ).
Перегрів і вигоряння: коли залізний сердечник сильно насичений, він генеруватиме величезні вихрові струми та втрати на гістерезис, спричиняючи перегрів залізного сердечника, що може спалити ізоляцію обмотки та навіть спричинити пожежу.
Електрична дуга та вибух: точки розімкнутого ланцюга (наприклад, незакріплені клеми) створюють безперервну електричну дугу під високою напругою. Висока температура дуги може спалити обладнання, запалити навколишні горючі речовини, а високотемпературні-гази, накопичені в герметичній камері, можуть навіть спричинити електричний вибух.
3. Небезпеки роботи системи
Похибка вимірювання та збій: для лічильників електроенергії типу CT- нульовий вхідний струм унеможливить вимірювання електроенергії, що призведе до втрати електроенергії та потенційних торговельних суперечок.
Генерація небезпечних іскор високої-напруги: це не лише джерело займання, але сильні електромагнітні імпульси, що виникають у результаті, також можуть заважати електронному обладнанню поблизу.
Підведіть підсумки
Розрив ланцюга на вторинній стороні трансформатора струму викликає сильне накопичення електромагнітної енергії, що зрештою призводить до фізичної катастрофи, яка проявляється у вигляді високої напруги, сильної електричної дуги та перегріву. Таким чином, у всіх роботах, пов'язаних із ланцюгами трансформаторів струму, необхідно суворо дотримуватися процедури "запобігання розриву ланцюга".
При цьому вторинна сторона трансформатора струму, підключеного до лічильника електроенергії, повинна бути заземлена. Це, разом із «суворою забороною відкритих ланцюгів на вторинній стороні», є двома основними залізними правилами експлуатації та технічного обслуговування трансформатора струму. Після заземлення висока напруга, що виникла, може бути швидко розряджена на землю через дріт заземлення, уникаючи перегорання обладнання або ураження електричним струмом, спричиненого раптовим підвищенням потенціалу вторинної обмотки.