У системима за мерење и надзор снаге, бројила енергије која захтевају екстерне струјне трансформаторе (ЦТ) су свеприсутна; оне су наше "очи" за прецизно детектовање великих струја. Међутим, унутар овог софистицираног система лежи кључно правило које се увек мора поштовати: секундарна страна струјног трансформатора никада не сме да ради у отвореном- стању. Овај чланак ће се бавити принципима и опасностима иза овог правила.
Нормални принцип рада струјног трансформатора
Струјни трансформатор (ЦТ) је посебан тип трансформатора који ради на принципу електромагнетне индукције. Његов основни дизајн се фокусира на „смањење струје“ и „изолацију“.
1. Структура: Обично се састоји од затвореног гвозденог језгра, примарног намотаја са мање завоја (повезаног у серију са главним колом) и секундарног намотаја са више завоја (повезаног са мерачем енергије).
2. Идеално стање: У нормално затвореном колу, ЦТ ради у приближно „кратком- стању”. Према Амперовом закону струјног кола и закону електромагнетне индукције, примарна струја И1 генерише наизменични магнетни флукс Φ у гвозденом језгру, који заузврат индукује струју И2 на секундарној страни. Однос између њих је:
И1 × Н1=И2 × Н2 + Им×Н1
где су Н1 и Н2 број завоја примарног и секундарног намотаја, а Им побудна струја. Због велике импедансе побуде у дизајну, Им је веома мали, тако да се у идеалном случају може поједноставити на:
Овде је Кн номинални однос трансформације, на пример, 1000/5А. У овом тренутку, велика струја на примарној страни се тачно и пропорционално претвара у малу струју на секундарној страни (обично стандардна вредност од 5А или 1А) ради безбедног мерења инструментом. Истовремено, потенцијал секундарног кола ЦТ-а је веома низак (обично само неколико волти), што је у безбедном опсегу.
Анализа принципа када је секундарна страна отворена-у кругу
Када се секундарни круг отвори због лабавих прикључака, покиданих жица или случајног искључења током тестирања, његово радно стање доживљава катастрофалну промену.
| Оперативни услов | Нормално затворено | Секундарни отворени круг |
|---|---|---|
| Секундарна струја I₂ |
Присутно, пропорционално И₁ | I₂ = 0 |
| Магнетски флукс језгра Φ |
Демагнетизирајући флукс који производи И₂ ефикасно потискује флукс језгра, одржавајући низак ниво | Губи се потискивање; флукс се брзо засићује до изузетно високог нивоа |
| Сецондари Волтаге U₂ |
Веома низак (неколико волти) | Индуковани високи напон у опсегу од неколико киловолти до десетина киловолти |
| Пхисицал Натуре | Јака спрега, дубока негативна повратна спрега: И₂ се снажно противи променама у Φ | Повратна информација је прекинута, акумулација енергије: сви примарни ампер{0}} завоји (И₁Н₁) се користе за магнетизацију |
Основни физички процеси су следећи👇:
1. Нестанак повратне информације за демагнетизацију:Током нормалног рада, магнетни флукс који генерише секундарна струја И2 је увек у супротном смеру од магнетног флукса који генерише примарна струја И1, стварајући снажан ефекат "демагнетизације" који ограничава резултујући магнетни флукс у гвозденом језгру на низак ниво. Након што се коло отвори, И2=0, и ефекат демагнетизирања тренутно пада на нулу.
2. Брзо засићење магнетног флукса:Неуравнотежени примарни ампер{0}}завоји И1Н1 се у потпуности претварају у узбудљиве{3}}ампере. Пошто је површина попречног пресека гвозденог језгра{5}} дизајнирана за ниску густину магнетног флукса, гвоздено језгро брзо улази у стање дубоког засићења.
Према Фарадејевом закону електромагнетне индукције, наизменични магнетни ток индукује електромоторну силу преко намотаја. Са брзим повећањем магнетног флукса, преко секундарног намотаја ће се индуковати изузетно висок напон У2.
3. Производња високог напона:У условима фреквенције струје, за примарну струју од неколико стотина ампера, индуковани напон на отворено-укљученој секундарној страни може лако да достигне неколико хиљада волти, ау екстремним случајевима може да пређе 10 киловолти.
Опасности од отвореног кола на секундарној страни струјног трансформатора.
Висок напон и повезани феномени изазвани секундарним отвореним{0}}колом могу да изазову низ опасности од ланчаних{1}}реакција.
1. Ризик од струјног удара за особље
Хиљаде волти високог напона постоје на терминалима секундарног ожичења, директно стварајући озбиљан ризик од струјног удара. Особље за одржавање и инспекцију може доживети струјни удар ако случајно додирне ове терминале без одговарајуће заштите.
2. Оштећење опреме
● Слом изолације: Висок напон ће прво пробити изолацију између завоја секундарног намотаја, између слојева или изолацију између секундарног кола и масе, што ће довести до трајног оштећења ЦТ.
● Прегревање и сагоревање: Након што језгро постане високо засићено, оно генерише огромне вртложне струје и губитке у хистерези, што доводи до прегревања језгра. Ово може сагорети изолацију намотаја и чак изазвати пожар.
● Лук и експлозија: Отворене{0}} тачке (као што су лабави терминали) ће генерисати трајне лукове под високим напоном. Висока температура лука може оштетити опрему, запалити околне запаљиве материјале, а акумулирани високотемпературни гас-у затвореним орманима може чак изазвати електричну експлозију.
3. Опасности за рад система
Губитак и неуспех мерења: За бројила електричне енергије типа ЦТ-, улазна струја постаје нула, што их чини неспособним да мере електричну енергију. Ово доводи до губитка измерене електричне енергије и може изазвати спорове око трговинских поравнања.
Опасне варнице високог напона: Оне не делују само као извор паљења, већ интензивни електромагнетни импулси које генеришу такође могу да ометају електронску опрему у близини.
Закључак
Отворено коло на секундарној страни струјног трансформатора (ЦТ) покреће насилну акумулацију електромагнетне енергије, која се на крају ослобађа у облику високог напона, јаких лукова и прегревања – физичког катастрофалног процеса. Стога, у свим радовима који укључују ЦТ кола, „спречавање отворених кола“ мора бити стриктно поштована процедура.
Истовремено, секундарна страна струјног трансформатора повезана са мерачем енергије мора бити уземљена. Ово, заједно са „строгом забраном отворених кола на секундарној страни“, су два основна правила за рад и одржавање ЦТ-а. Уземљење омогућава да се високи напон брзо испусти на земљу кроз жицу за уземљење, спречавајући нагло повећање секундарног бочног потенцијала који би могао изазвати оштећење опреме или несреће струјног удара.