В системите за измерване и мониторинг на енергия, измервателите на енергия, изискващи външни токови трансформатори (CT), са повсеместни; те са нашите "очи" за точно отчитане на големи токове. Въпреки това, в рамките на тази сложна система се крие изключително важно правило, което винаги трябва да се спазва: вторичната страна на токовия трансформатор никога не трябва да работи в състояние на отворена-верига. Тази статия ще разгледа принципите и опасностите зад това правило.
Нормалният принцип на работа на токов трансформатор
Токовият трансформатор (CT) е специален тип трансформатор, който работи на принципа на електромагнитната индукция. Неговият основен дизайн се фокусира върху „намаляване на тока“ и „изолация“.
1. Структура: Обикновено се състои от затворена желязна сърцевина, първична намотка с по-малко навивки (свързана последователно с главната верига) и вторична намотка с повече навивки (свързана към електромера).
2. Идеално състояние: В нормално 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 генерира променлив магнитен поток Φ в желязното ядро, което от своя страна индуцира ток I2 във вторичната страна. Връзката между тях е:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
където N1 и N2 са броят на навивките на първичната и вторичната намотки, а Im е токът на възбуждане. Поради големия импеданс на възбуждане в дизайна, Im е много малък, така че в идеалния случай може да се опрости до:
Тук Kn е номиналният коефициент на трансформация, например 1000/5A. По това време големият ток на първичната страна се преобразува точно и пропорционално в малък ток на вторичната страна (обикновено стандартна стойност от 5 A или 1 A) за безопасно измерване от инструмента. В същото време потенциалът на вторичната верига на CT е много нисък (обикновено само няколко волта), което е в безопасен диапазон.
Принципен анализ, когато вторичната страна е с отворена{0}} верига
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 затворен | Вторична отворена верига |
|---|---|---|
| Вторичен ток I₂ |
Настоящо, пропорционално на I₁ | I₂ = 0 |
| Магнитен поток на ядрото Φ |
Демагнетизиращият поток, произведен от I₂, ефективно потиска сърцевината на потока, поддържайки ниско ниво | Потискането се губи; потокът бързо се насища до изключително високо ниво |
| Вторично напрежение U₂ |
Много ниско (няколко волта) | Индуцирано високо напрежение в диапазона от няколко киловолта до десетки киловолта |
| Физическа природа | Силно свързване, дълбока отрицателна обратна връзка: I₂ силно се противопоставя на промените в Φ | Прекъсната обратна връзка, натрупване на енергия: всички първични ампер-навивки (I₁N₁) се използват за намагнитване |
Основните физически процеси са както следва👇:
1. Изчезване на демагнетизираща обратна връзка:По време на нормална работа, магнитният поток, генериран от вторичния ток I2, винаги е противоположен по посока на магнитния поток, генериран от първичния ток I1, създавайки силен "демагнетизиращ" ефект, който ограничава резултантния магнитен поток в желязното ядро до ниско ниво. След като веригата се отвори, I2=0 и демагнетизиращият ефект моментално пада до нула.
2. Бързо насищане на магнитния поток:Небалансираните първични ампер{0}}навивки I1N1 се преобразуват изцяло във вълнуващи ампер-навивки. Тъй като площта на напречното-сечение на желязното ядро е проектирана за ниска плътност на магнитния поток, желязното ядро бързо навлиза в състояние на дълбоко насищане.
Съгласно закона на Фарадей за електромагнитната индукция, променливият магнитен поток индуцира електродвижеща сила в намотките. С бързото нарастване на магнитния поток във вторичната намотка ще се индуцира изключително високо напрежение U2.
3. Генериране на високо напрежение:При условия на честота на захранване, за първичен ток от няколкостотин ампера, индуцираното напрежение на вторичната страна на отворената-верига може лесно да достигне няколко хиляди волта, а в екстремни случаи може да надхвърли 10 киловолта.
Опасностите от отворена верига на вторичната страна на токов трансформатор.
Високото напрежение и свързаните с него явления, причинени от вторична отворена-верига, могат да предизвикат редица опасности от верижна-реакция.
1. Риск от токов удар за персонала
На клемите на вторичното окабеляване има хиляди волта високо напрежение, което директно създава сериозен риск от токов удар. Персоналът по поддръжката и инспекцията може да претърпи токов удар, ако случайно докосне тези клеми без подходяща защита.
2. Повреда на оборудването
● Разрушаване на изолацията: Високото напрежение първо ще пробие изолацията между намотките на вторичната намотка, между слоевете или изолацията между вторичната верига и земята, което ще доведе до трайна повреда на CT.
● Прегряване и изгаряне: След като сърцевината стане силно наситена, тя генерира огромни загуби от вихров ток и хистерезис, което води до прегряване на сърцевината. Това може да изгори изолацията на намотката и дори да предизвика пожар.
● Дъга и експлозия: Отворени{0}} точки на верига (като разхлабени клеми) ще генерират продължителни дъги под високо напрежение. Високата температура на дъгите може да повреди оборудването, да запали околните горими материали, а натрупаният газ с висока-температура в затворени шкафове може дори да причини електрическа експлозия.
3. Опасности за работата на системата
Загуба и повреда при измерване: За електромери тип CT-входящият ток става нула, което ги прави неспособни да измерват електроенергията. Това води до загуба на измерена електроенергия и може да предизвика спорове за търговски споразумения.
Опасни високоволтови-искри: Те не само действат като източник на запалване, но интензивните електромагнитни импулси, които генерират, също могат да попречат на близкото електронно оборудване.
Заключение
Отворена верига от вторичната страна на токов трансформатор (CT) предизвиква бурно натрупване на електромагнитна енергия, която в крайна сметка се освобождава под формата на високо напрежение, силни дъги и прегряване – физически катастрофален процес. Следователно, при всички работи, включващи CT вериги, "предотвратяването на отворени вериги" трябва да бъде стриктно следвана процедура.
В същото време 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. Заземяването позволява високото напрежение да бъде бързо разредено към земята през заземяващия проводник, предотвратявайки внезапно увеличаване на потенциала на вторичната страна, което може да причини повреда на оборудването или инциденти с токов удар.