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 токови трансформатори
Токовият трансформатор (CT) е специален тип трансформатор, който работи на принципа на електромагнитната индукция. Неговите основни принципи на проектиране са "намаляване на тока" и "изолация".
Структура
Обикновено се състои от затворена желязна сърцевина, първична намотка с относително малък брой намотки (свързана последователно в главната верига) и вторична намотка с относително голям брой намотки (свързана към електромера).
Идеална държава
В нормална затворена верига CT работи в състояние приблизително на „късо{0}} 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 от своя страна индуцира ток I2 от вторичната страна. Връзката между двете е:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Където N1 и N2 са броят на навивките в първичната и вторичната намотка, а Im е токът на възбуждане. Поради големия импеданс на възбуждане в дизайна, Im е изключително малък, така че в идеално състояние може да се опрости до:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ или I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Тук Kn е номиналното съотношение на обороти, например 1000/5A. По това време големият ток на първичната страна се преобразува точно пропорционално в малък ток на вторичната страна (обикновено стандартна стойност от 5A или 1A) за безопасно измерване с инструменти. В същото време потенциалът на вторичната верига на CT е много нисък (обикновено само няколко волта), в безопасен диапазон.
Принципен анализ на отворена верига на вторичната верига
Когато вторичната верига се отвори поради причини като разхлабени клеми, скъсани проводници или случайно изключване по време на тестване, нейното работно състояние претърпява катастрофална промяна.
| Работен статус | Нормално затворен | Вторична отворена верига |
|---|---|---|
| Вторичен ток I2 | Съществува, пропорционално на I1 | I2=0 |
| Магнитен поток на ядрото Φ | Ефективно потиснат от демагнетизиращия поток, генериран от I2, поддържан на ниско ниво | Губи потискането, бързо се насища до изключително висока стойност |
| Вторично напрежение U2 | Много ниско (няколко волта) | Индуцира високо напрежение от хиляди до дори десетки хиляди волта |
| Физическа същност | Силно свързване, дълбока отрицателна обратна връзка: I2 силно се съпротивлява на промяната на Φ | Прекъсване-на обратната връзка, натрупване на енергия: Всички първични ампер-навивки I1N1 се използват за възбуждане |
Основният физически процес е както следва:
Изчезване на размагнитваща обратна връзка
По време на нормална работа, магнитният поток, генериран от вторичния ток I2, винаги е в обратна посока на този, генериран от първичния ток I1, създавайки силен "демагнетизиращ" ефект, който ограничава комбинирания магнитен поток в сърцевината до ниско ниво. След като веригата се отвори, I2=0 и демагнетизиращият ефект незабавно се връща към нула.
Бързо насищане на магнитния поток
Първичните ампер{0}}навивки I1 и N1, вече неограничени, се преобразуват изцяло в магнетизиращи 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.
Съгласно закона на Фарадей за електромагнитната индукция, променливият магнитен поток индуцира електродвижеща сила в намотката. Когато магнитният поток се увеличи драстично, във вторичната намотка ще се индуцира изключително високо напрежение U2.
Генериране на високо напрежение
При условия на честота на захранване, за първичен ток от няколкостотин ампера, индуцираното напрежение върху вторичната страна на отворената{0}}верига може лесно да достигне няколко хиляди волта, а в екстремни случаи да надхвърли 10 киловолта.
Опасности от отворена верига от вторичната страна на токовия трансформатор
Високото напрежение и придружаващите го явления, генерирани от отворена верига във вторичната страна, могат да предизвикат серия от верижни реакции на опасности.
Опасност от електрически удар
Наличието на хиляди волта високо напрежение на вторичните клеми 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.
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: точка на отворена верига (като разхлабена клема) ще генерира непрекъсната електрическа дъга под високо напрежение. Високата температура на дъгата може да изгори оборудването, да запали околните горими вещества, а високотемпературните-газове, натрупани в запечатания шкаф, могат дори да причинят електрическа експлозия.
Опасности при работата на системата
Неточност и повреда в измерването: За електромери от тип CT- нулев входен ток ще ги направи неспособни да измерват електричеството, което ще доведе до загуба на електричество 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.
Заключение
Отворена верига на вторичната страна на токов трансформатор предизвиква бурно натрупване на електромагнитна енергия, което в крайна сметка води до физическа катастрофа, изразена като високо напрежение, силна електрическа дъга и прегряване. Следователно "предотвратяването на отворени вериги" трябва стриктно да се спазва при всички работи, включващи CT вериги.
Едновременно с това вторичната страна на токовия трансформатор, свързан към електромера, трябва да бъде заземен. Това, заедно със "строга забрана на отворени вериги от вторичната страна," са две основни железни правила за работа и поддръжка на CT. Заземяването позволява всички високоволтови удари да бъдат бързо разредени към земята чрез заземителен проводник, предотвратявайки внезапни увеличения на вторичния потенциал, които биха могли да доведат до изгаряне на оборудването или инциденти с токов удар.