У системах вимірювання та моніторингу електроенергії лічильники енергії, які вимагають зовнішніх трансформаторів струму (СТ), є повсюдним; це наші «очі» для точного визначення великих струмів. Однак у цій складній системі є важливе правило, якого слід завжди дотримуватися: вторинна сторона трансформатора струму ніколи не повинна працювати в умовах розімкненого-ланцюга. У цій статті ми розглянемо принципи та небезпеки, які лежать в основі цього правила.
Нормальний принцип роботи трансформатора струму
Трансформатор струму (ТТ) - це особливий тип трансформатора, який працює на основі принципу електромагнітної індукції. Його основна конструкція зосереджена на «зниженні струму» та «ізоляції».
1. Структура: зазвичай складається із закритого залізного сердечника, первинної обмотки з меншою кількістю витків (підключеної послідовно до основного кола) та вторинної обмотки з більшою кількістю витків (підключеної до лічильника енергії).
2. Ідеальний стан: у нормально замкнутому колі КТ працює приблизно в стані «короткого-замикання». Згідно із законом Ампера та законом електромагнітної індукції, первинний струм I1 створює змінний магнітний потік Φ у залізному сердечнику, який, у свою чергу, індукує струм I2 у вторинній обмотці. Відношення між ними таке:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
де N1 і N2 – кількість витків первинної та вторинної обмоток, Im – струм збудження. Через великий імпеданс збудження в конструкції Im дуже малий, тому в ідеальному випадку його можна спростити до:
Тут Kn - номінальний коефіцієнт трансформації, наприклад, 1000/5A. У цей час 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 приладом. У той же час потенціал вторинного кола трансформатора струму дуже низький (зазвичай лише кілька вольт), що знаходиться в безпечному діапазоні.
Принциповий аналіз, коли вторинна сторона розімкнута-
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 | Нормально закритий | Вторинний відкритий контур |
|---|---|---|
| Вторинний струм I₂ |
Теперішній, пропорційний I₁ | I₂ = 0 |
| Магнітний потік сердечника Φ |
Розмагнічуючий потік, створений I₂, ефективно пригнічує потік сердечника, підтримуючи низький рівень | Придушення втрачено; потік швидко насичується до надзвичайно високого рівня |
| Вторинна напруга U₂ |
Дуже низький (кілька вольт) | Індукована висока напруга в діапазоні від кількох кіловольт до десятків кіловольт |
| Фізична природа | Сильний зв'язок, глибокий негативний зворотний зв'язок: I₂ рішуче проти змін у Φ | Зворотний зв’язок переривається, накопичення енергії: усі первинні ампер-витки (I₁N₁) використовуються для намагнічення |
Основні фізичні процеси такі👇:
1. Зникнення розмагнічувального зворотного зв'язку:Під час нормальної роботи магнітний потік, створюваний вторинним струмом I2, завжди протилежний за напрямком магнітному потоку, створюваному первинним струмом I1, створюючи сильний ефект «розмагнічування», який обмежує результуючий магнітний потік у залізному сердечнику до низького рівня. Після розмикання кола I2=0, і ефект розмагнічування миттєво падає до нуля.
2. Швидке насичення магнітного потоку:Незбалансовані первинні ампер-витки I1N1 повністю перетворюються на збудливі ампер-витки. Оскільки площа поперечного-перерізу залізного сердечника розроблена для низької щільності магнітного потоку, залізний сердечник швидко переходить у стан глибокого насичення.
Відповідно до закону електромагнітної індукції Фарадея, змінний магнітний потік створює електрорушійну силу на обмотках. Зі швидким збільшенням магнітного потоку на вторинній обмотці буде індуковано надзвичайно високу напругу U2.
3. Генерація високої напруги:За умов частоти живлення, для первинного струму в кілька сотень ампер, індукована напруга на стороні вторинної обмотки з відкритим ланцюгом може легко сягати кількох тисяч вольт, а в екстремальних випадках може перевищувати 10 кіловольт.
Небезпека розриву ланцюга на вторинній стороні трансформатора струму.
Висока напруга та пов’язані з нею явища, спричинені вторинним розривом-ланцюга, можуть спровокувати серію ланцюгових-реакцій.
1. Ризик ураження електричним струмом для персоналу
Тисячі вольт високої напруги знаходяться на клемах вторинної проводки, що безпосередньо створює серйозний ризик ураження електричним струмом. Персонал з технічного обслуговування та перевірки може постраждати від ураження електричним струмом, якщо випадково торкнеться цих клем без належного захисту.
2. Пошкодження обладнання
● Пробою ізоляції: Висока напруга спочатку порушує ізоляцію між витками вторинної обмотки, між шарами або ізоляцію між вторинним ланцюгом і землею, що призводить до остаточного пошкодження КТ.
● Перегрів і горіння: Після того, як серцевина стає сильно насиченою, вона генерує величезні вихрові струми та втрати на гістерезис, що спричиняє перегрів серцевини. Це може спалити ізоляцію обмотки і навіть спровокувати пожежу.
● Дуга та вибух: точки розімкненого ланцюга (наприклад, ослаблені клеми) створюватимуть тривалу дугу під високою напругою. Висока температура дуг може пошкодити обладнання, спалахнути навколишні горючі матеріали, а накопичений-газ високої температури в закритих шафах може навіть спричинити електричний вибух.
3. Небезпеки для роботи системи
Втрата та збій вимірювання: для лічильників електроенергії типу CT- вхідний струм стає нульовим, що робить їх неможливими для вимірювання електроенергії. Це призводить до втрати виміряної електроенергії та може викликати суперечки щодо торгових розрахунків.
Небезпечні іскри-високої напруги: вони не лише є джерелом запалювання, але інтенсивні електромагнітні імпульси, які вони створюють, також можуть заважати електронному обладнанню поблизу.
Висновок
Розімкнуте ланцюг на вторинній стороні трансформатора струму (СТ) викликає бурхливе накопичення електромагнітної енергії, яка зрештою виділяється у вигляді високої напруги, сильних дуг і перегріву – фізичного катастрофічного процесу. Таким чином, у всіх роботах, пов’язаних із ланцюгами КТ, «запобігання відкритим ланцюгам» має бути суворо дотриманою процедурою.
При цьому вторинна сторона трансформатора струму, підключеного до лічильника електроенергії, повинна бути заземлена. Це, разом із «суворою забороною розімкнутих ланцюгів на вторинній стороні», є двома основними залізними правилами для експлуатації та обслуговування трансформатора струму. Заземлення дозволяє швидко скидати високу напругу на землю через дріт заземлення, запобігаючи раптовому зростанню потенціалу вторинної обмотки, яке може спричинити пошкодження обладнання або ураження електричним струмом.