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 необхідно 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 трансформаторів струму
Трансформатор струму (ТТ) - це особливий тип трансформатора, який працює на основі принципу електромагнітної індукції. Його основні принципи проектування — «зниження струму» та «ізоляція».
Структура
Зазвичай він складається із закритого залізного сердечника, первинної обмотки з відносно невеликою кількістю витків (підключеної послідовно в головному колі) та вторинної обмотки з відносно великою кількістю витків (підключеної до лічильника електроенергії).
Ідеальна держава
У нормальному замкнутому ланцюзі КТ працює приблизно в стані «короткого{0}}замикання». Згідно із законом Ампера та законом електромагнітної індукції, первинний струм I1 створюватиме змінний магнітний потік Φ у залізному сердечнику, який, у свою чергу, індукує струм I2 на вторинній стороні. Відношення між ними:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Де N1 і N2 - кількість витків в первинній і вторинній обмотках, а Im - струм збудження. Через великий опір збудження в конструкції Im надзвичайно малий, тому в ідеальному стані його можна спростити до:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ або I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Тут Kn - номінальний коефіцієнт витків, наприклад, 1000/5A. У цей час великий струм на первинній стороні точно пропорційно перетворюється в малий струм на вторинній стороні (зазвичай стандартне значення 5 А або 1 А) для безпечного вимірювання приладами. Водночас потенціал вторинного ланцюга трансформатора струму дуже низький (зазвичай лише кілька вольт) у межах безпечного діапазону.
Принциповий аналіз відкритого контуру вторинного контуру
Коли вторинний ланцюг стає розімкнутим через такі причини, як ослаблені клеми, розрив проводів або випадкове від’єднання під час тестування, його робочий стан зазнає катастрофічних змін.
| Робочий статус | Нормальний закритий | Вторинний відкритий контур |
|---|---|---|
| Вторинний струм I2 | Існує, пропорційна I1 | I2=0 |
| Магнітний потік сердечника Φ | Ефективно пригнічується розмагнічуючим потоком, створюваним I2, який підтримується на низькому рівні | Втрачає придушення, швидко насичується до надзвичайно високого значення |
| Вторинна напруга U2 | Дуже низький (кілька вольт) | Викликає високу напругу від тисяч до навіть десятків тисяч вольт |
| Фізична сутність | Сильний зв'язок, глибокий негативний зворотний зв'язок: I2 сильно чинить опір зміні Φ | Відключення-зворотного зв’язку, накопичення енергії: усі первинні ампер-витки I1N1 використовуються для збудження |
Основний фізичний процес полягає в наступному:
Зникнення розмагнічуючого зворотного зв'язку
Під час нормальної роботи магнітний потік, створюваний вторинним струмом I2, завжди протилежний напрямку, створюваному первинним струмом I1, створюючи сильний ефект «розмагнічування», який обмежує сумарний магнітний потік в осерді до низького рівня. Після розмикання ланцюга I2=0, і ефект розмагнічування миттєво повертається до нуля.
Швидке насичення магнітного потоку
Первинні ампер{0}}витки I1 і N1, тепер не обмежені, повністю перетворюються на ампер-намагнічування. Оскільки площа поперечного-перерізу сердечника розроблена для низької щільності магнітного потоку, сердечник швидко переходить у стан глибокого насичення.
Відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея, змінний магнітний потік створює електрорушійну силу в обмотці. Коли магнітний потік різко зростає, на вторинній обмотці індукується надзвичайно висока напруга U2.
Генерація високої напруги
За умов частоти живлення, для первинного струму в кілька сотень ампер, індукована напруга на вторинній стороні відкритого-ланцюга може легко сягати кількох тисяч вольт, а в екстремальних випадках перевищувати 10 кіловольт.
Небезпека розриву ланцюга на вторинній стороні трансформатора струму
Висока напруга та супутні явища, спричинені розривом ланцюга у вторинній стороні, можуть викликати серію ланцюгових реакцій небезпеки.
Небезпека ураження електричним струмом
Наявність тисяч вольт високої напруги на вторинних клемах безпосередньо становить серйозний ризик ураження електричним струмом. Персонал з технічного обслуговування та ремонту, який контактує з цією напругою без запобіжних заходів, може отримати ураження електричним струмом.
Пошкодження обладнання
Порушення ізоляції: висока напруга спершу зруйнує між{0}}виткову та між-шарову ізоляцію вторинної обмотки або порушить ізоляцію на землю у вторинній ланцюзі, що призведе до незворотного пошкодження трансформатора струму (КТ).
Перегрів і вигорання: 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: точка відкритого ланцюга (наприклад, незакріплена клема) породжує 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.
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.
Утворення небезпечних іскор високої-напруги: це не лише джерело займання, але сильні електромагнітні імпульси, що виникають у результаті, також можуть заважати електронному обладнанню поблизу.
Висновок
Розрив ланцюга вторинної обмотки трансформатора струму викликає сильне накопичення електромагнітної енергії, що зрештою призводить до фізичної катастрофи, яка проявляється у вигляді високої напруги, сильної електричної дуги та перегріву. Тому «запобігання відкритим ланцюгам» слід суворо дотримуватися під час усіх робіт, пов’язаних із ланцюгами КТ.
Одночасно необхідно заземлити вторинну сторону трансформатора струму, підключеного до лічильника електроенергії. Це, разом із «суворою забороною відкритих ланцюгів на вторинній стороні», є двома основними залізними правилами експлуатації та технічного обслуговування трансформатора струму. Заземлення дозволяє будь-які стрибки високої напруги швидко розряджатися на землю за допомогою заземлюючого дроту, запобігаючи раптовому зростанню вторинного потенціалу, яке може призвести до перегорання обладнання або ураження електричним струмом.