В системите за измерване и мониторинг на електроенергия електромерите, които изискват външни токови трансформатори (CT), са повсеместни; те са нашите "очи" за точно усещане на масивни течения. Въпреки това, скрито в тази сложна система е желязно правило, което трябва да се спазва по всяко време: вторичната страна на токовия трансформатор никога не трябва да работи с отворена верига. Тази статия ще разгледа основните принципи и свързаните с това опасности.
Нормален принцип на работа на токов трансформатор
CT (токов трансформатор) е специален тип трансформатор, който работи на принципа на електромагнитната индукция. Неговите основни принципи на проектиране са "намаляване на тока" и "изолация".
1. Структура: Обикновено се състои от затворена желязна сърцевина, първична намотка с по-малко навивки (свързана последователно в главната верига) и вторична намотка с повече навивки (свързана към електромера).
2. Идеално състояние: В нормална затворена верига CT работи в състояние на приблизително „късо{1}} съединение“. Съгласно закона на Ампер за електрическата верига и закона за електромагнитната индукция, първичният ток I1 ще генерира променлив магнитен поток Φ в желязното ядро, което след това ще индуцира ток I2 на вторичната страна. Връзката между двете е следната:
Където N1 и N2 са броят на навивките в първичната и вторичната намотка, а Im е токът на възбуждане. Поради много големия импеданс на възбуждане и изключително малкия Im в дизайна, той може да бъде опростен до следното при идеални условия:
Тук Kn се отнася до номиналното съотношение на трансформация, като например 1000/5A. В този случай големият ток на първичната страна се преобразува прецизно и пропорционално в малък ток на вторичната страна (обикновено стандартна стойност от 5 A или 1 A) за безопасно измерване на инструмента. В същото време потенциалът на вторичната верига на токовия трансформатор (CT) е много нисък (обикновено само няколко волта), в безопасен диапазон.
Принципен анализ, когато вторичната страна е отворена
Когато вторичната верига се отвори поради разхлабени клеми, скъсани проводници или случайно прекъсване по време на тестване, нейното работно състояние претърпява катастрофална промяна.
| Работно състояние | Нормално затваряне | Отваряне на вторичен път |
|
|
Съществува, пропорционално на I1 |
|
|
Φ |
Ефективно потиснат от демагнетизиращия поток, генериран от I2, поддържайки ниско ниво | Загуба на инхибиране, бързо насищане до изключително високи стойности |
|
|
Много ниско (няколко волта) | Индуцирано е високо напрежение от хиляди или дори десетки хиляди волта. |
| Физическо естество | Силно свързване, дълбока отрицателна обратна връзка: I2 силно се съпротивлява на промените в Φ | Прекъсване на обратната връзка и натрупване на енергия: Всички първични ампер-навивки I1 и N1 се използват за възбуждане. |
Неговите основни физически процеси са както следва:
1: Изчезване на демагнетизиращата обратна връзка
По време на нормална работа, магнитният поток, генериран от вторичния ток I2, винаги е в обратна посока на магнитния поток, генериран от първичния ток I1, създавайки силен "демагнетизиращ" ефект, който ограничава комбинирания магнитен поток в желязното ядро до ниско ниво. След като веригата се отвори, I2=0 и демагнетизиращият ефект моментално се връща към нула.
2: Бързо насищане на магнитния поток
Небалансираните първични ампер-навивки I1 и N1 се преобразуват изцяло в намагнитващи ампер-навивки. Тъй като площта на напречното-сечение на сърцевината е проектирана за ниска плътност на магнитния поток, сърцевината бързо навлиза в състояние на дълбоко насищане в тази точка.
Съгласно закона на Фарадей за електромагнитната индукция, променливият магнитен поток ще предизвика електродвижеща сила в намотката. Когато магнитният поток се увеличи рязко, във вторичната намотка ще се индуцира изключително високо напрежение U2.
3: Генериране на високо налягане
При условия на честота на захранване, за първичен ток от няколкостотин ампера, индуцираното напрежение на вторичната страна на отворената{0}}верига може лесно да достигне няколко хиляди волта, а в екстремни случаи може да надхвърли 10 киловолта.
Националният стандарт GB/T 20840.2-2014 „Измервателни трансформатори – Част 2: Допълнителни технически изисквания за токови трансформатори“ има строги изисквания за изолационните характеристики на измервателните трансформатори и това внезапно високо напрежение далеч надхвърли нормалния си проектен капацитет.
Опасности от отворена верига на вторичната страна на токов трансформатор
Високото напрежение и придружаващите го явления, генерирани от вторична отворена верига, могат да предизвикат серия от верижни реакции на опасности.
1. Опасност от токов удар: Хиляди волта високо напрежение има във вторичните клеми, което директно представлява сериозен риск от токов удар. Персоналът по поддръжката и ремонта, който влезе в контакт с това напрежение без предпазни мерки, може да претърпи токов удар.
2. Повреда на оборудването:
Разрушаване на изолацията: Високото напрежение първо ще разруши изолацията между-навивките и между-слойовете на вторичната намотка или ще разруши изолацията към земята във вторичната верига, което ще доведе до трайна повреда на токовия трансформатор (CT).
Прегряване и изгаряне: Когато желязното ядро е силно наситено, то ще генерира огромни вихрови токове и хистерезисни загуби, което води до прегряване на желязното ядро, което може да изгори изолацията на намотката и дори да причини пожар.
Електрическа дъга и експлозия: Точките на отворена верига (като разхлабени клеми) ще генерират непрекъсната електрическа дъга под високо напрежение. Високата температура на дъгата може да изгори оборудването, да възпламени околните горими вещества, а високотемпературните-газове, натрупани в запечатания шкаф, могат дори да причинят електрическа експлозия.
3. Опасности при работата на системата
Неточност и повреда в измерването: За електромери от тип CT-, нулев входен ток ще ги направи неспособни да измерват електроенергия, което ще доведе до загуба на електроенергия и потенциални търговски спорове.
Генериране на опасни високоволтови искри-: Това е не само източник на запалване, но и произтичащите от това силни електромагнитни импулси могат също да попречат на близкото електронно оборудване.
Обобщете
Отворена верига на вторичната страна на токов трансформатор предизвиква силно натрупване на електромагнитна енергия, което в крайна сметка води до физическа катастрофа, изразена като високо напрежение, силна електрическа дъга и прегряване. Следователно, при всички работи, включващи CT вериги, "предотвратяването на отворена верига" трябва стриктно да се спазва като процедура.
Междувременно вторичната страна на токовия трансформатор, свързан към електромера, трябва да бъде заземен. Това, заедно със "строга забрана на отворени вериги от вторичната страна," са двете основни железни правила за работа и поддръжка на CT. След заземяване високото напрежение, което се е появило, може бързо да се разреди към земята през заземяващия проводник, като се избягва изгаряне на оборудването или злополуки с токов удар, причинени от внезапно повишаване на потенциала на вторичната страна.