V systémech měření a monitorování energie jsou elektroměry, které vyžadují externí transformátory proudu (CT), všudypřítomné; jsou to naše „oči“ pro přesné snímání masivních proudů. V tomto sofistikovaném systému je však ukryto pevné pravidlo, které je nutné vždy dodržovat: sekundární strana proudového transformátoru nesmí být nikdy provozována s otevřeným obvodem. Tento článek se ponoří do základních principů a souvisejících nebezpečí.
Normální princip činnosti proudového transformátoru
CT (Current Transformer) je speciální typ transformátoru, který pracuje na principu elektromagnetické indukce. Jeho základními konstrukčními principy jsou „snížení proudu“ a „izolace“.
1. Struktura: Obvykle se skládá z uzavřeného železného jádra, primárního vinutí s menším počtem závitů (zapojeného do série v hlavním obvodu) a sekundárního vinutí s více závity (připojeného k elektroměru).
2. Ideální stav: V normálním uzavřeném okruhu pracuje CT ve stavu přibližně „zkrat{1}}obvodu“. Podle Ampérova obvodového zákona a zákona elektromagnetické indukce bude primární proud I1 generovat střídavý magnetický tok Φ v železném jádru, který pak indukuje proud I2 na sekundární straně. Vztah mezi těmito dvěma je následující:
Kde N1 a N2 jsou počty závitů v primárním a sekundárním vinutí a Im je budicí proud. Vzhledem k velmi velké budicí impedanci a extrémně malému Im v konstrukci jej lze za ideálních podmínek zjednodušit na následující:
Zde Kn odkazuje na jmenovitý transformační poměr, jako je 1000/5A. V tomto případě je velký proud na primární straně přesně a proporcionálně přeměněn na malý proud na sekundární straně (obvykle standardní hodnota 5A nebo 1A) pro bezpečné měření přístroje. Současně je potenciál sekundárního obvodu proudového transformátoru (CT) velmi nízký (obvykle jen několik voltů), v bezpečném rozsahu.
Principiální analýza při otevřené sekundární straně
Když se sekundární obvod otevře v důsledku uvolněných svorek, zlomených vodičů nebo náhodného odpojení během testování, jeho provozní stav projde katastrofální změnou.
| Provozní stav | Normální zavírání | Otevření vedlejší silnice |
|
|
Existuje, úměrné I1 |
|
|
Φ |
Účinně potlačeno demagnetizačním tokem generovaným I2, udržuje nízkou úroveň | Ztráta inhibice, rychlé nasycení do extrémně vysokých hodnot |
|
|
Velmi nízké (několik voltů) | Bylo indukováno vysoké napětí tisíců nebo dokonce desetitisíců voltů. |
| Fyzická povaha | Silná vazba, hluboká negativní zpětná vazba: I2 silně odolává změnám v Φ | Přerušení zpětné vazby a akumulace energie: Všechny primární ampér{0}}závity I1 a N1 se používají k buzení. |
Jeho základní fyzikální procesy jsou následující:
1: Zmizení demagnetizační zpětné vazby
Během normálního provozu je magnetický tok generovaný sekundárním proudem I2 vždy v opačném směru než magnetický tok generovaný primárním proudem I1, což vytváří silný "demagnetizační" efekt, který omezuje kombinovaný magnetický tok v železném jádru na nízkou úroveň. Po otevření obvodu I2=0 a demagnetizační efekt se okamžitě vrátí na nulu.
2: Rychlé nasycení magnetického toku
Nevyvážené primární ampér-závity I1 a N1 jsou zcela převedeny na magnetizující-závity ampér. Protože plocha průřezu jádra{5}} je navržena pro nízkou hustotu magnetického toku, jádro v tomto bodě rychle vstoupí do stavu hlubokého nasycení.
Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce bude střídavý magnetický tok indukovat elektromotorickou sílu přes vinutí. Když se magnetický tok prudce zvýší, bude se přes sekundární vinutí indukovat extrémně vysoké napětí U2.
3: Generování vysokého tlaku
Za podmínek napájecí frekvence může pro primární proud několik stovek ampér indukované napětí na sekundární straně otevřeného obvodu snadno dosáhnout několika tisíc voltů a v extrémních případech může přesáhnout 10 kilovoltů.
Národní norma GB/T 20840.2-2014 „Přístrojové transformátory – část 2: Doplňkové technické požadavky na proudové transformátory“ má přísné požadavky na izolační výkon přístrojových transformátorů a toto náhlé vysoké napětí daleko přesáhlo jeho běžnou konstrukční kapacitu.
Nebezpečí přerušení obvodu na sekundární straně proudového transformátoru
Vysoké napětí a doprovodné jevy generované sekundárním otevřeným obvodem mohou spustit řadu řetězových reakcí nebezpečí.
1. Nebezpečí úrazu elektrickým proudem: Na sekundárních svorkách jsou tisíce voltů vysokého napětí, které přímo představují vážné riziko úrazu elektrickým proudem. Personál údržby a oprav, který přijde do kontaktu s tímto napětím bez bezpečnostních opatření, může utrpět úraz elektrickým proudem.
2. Poškození zařízení:
Porušení izolace: Vysoké napětí nejprve naruší mezi-závitovou a mezi{1}}vrstvou izolaci sekundárního vinutí nebo naruší izolaci až k zemi v sekundárním obvodu, což vede k trvalému poškození transformátoru proudu (CT).
Přehřátí a vyhoření: Když je železné jádro vysoce nasycené, bude generovat obrovské vířivé proudy a hysterezní ztráty, což způsobí přehřátí železného jádra, což může spálit izolaci vinutí a dokonce způsobit požár.
Elektrický oblouk a exploze: Body s otevřeným obvodem (jako jsou uvolněné svorky) budou generovat nepřetržitý elektrický oblouk pod vysokým napětím. Vysoká teplota oblouku může spálit zařízení, zapálit okolní hořlaviny a plyny o vysoké teplotě nahromaděné v utěsněné skříni mohou dokonce způsobit elektrický výbuch.
3. Rizika provozu systému
Nepřesnost a selhání měření: U elektroměrů typu CT- znemožní nulový vstupní proud měřit elektřinu, což má za následek ztrátu elektřiny a potenciální obchodní spory.
Generování nebezpečných vysokonapěťových-jisker: Nejde pouze o zdroj vznícení, ale výsledné silné elektromagnetické impulsy mohou také rušit blízké elektronické zařízení.
Shrnout
Otevřený obvod na sekundární straně proudového transformátoru spouští prudké nahromadění elektromagnetické energie, což nakonec vede k fyzické katastrofě projevující se vysokým napětím, silným elektrickým obloukem a přehřátím. Proto musí být při všech pracích s obvody CT přísně dodržován postup „prevence otevřeného okruhu“.
Mezitím musí být sekundární strana proudového transformátoru připojená k elektroměru uzemněna. To jsou spolu se „přísným zákazem otevřených obvodů na sekundární straně“ dvě základní pevná pravidla provozu a údržby CT. Po uzemnění může být vysoké napětí, které se přihnalo, rychle vybito do země přes zemnící vodič, čímž se zabrání vyhoření zařízení nebo úrazu elektrickým proudem způsobeným náhlým zvýšením potenciálu sekundární strany.