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 provozní princip proudových transformátorů
Proudový transformátor (CT) je speciální typ transformátoru, který pracuje na principu elektromagnetické indukce. Jeho základními konstrukčními principy jsou „snížení proudu“ a „izolace“.
Struktura
Obvykle se skládá z uzavřeného železného jádra, primárního vinutí s relativně malým počtem závitů (zapojeného do série v hlavním obvodu) a sekundárního vinutí s relativně velkým počtem závitů (zapojeného do elektroměru).
Ideální stát
V normálním uzavřeném okruhu pracuje CT ve stavu přibližně „zkrat{0}}“. Podle Ampérova obvodového zákona a zákona elektromagnetické indukce bude primární proud I1 generovat střídavý magnetický tok Φ v železném jádru, který zase indukuje proud I2 na sekundární straně. Vztah mezi těmito dvěma je:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Kde N1 a N2 jsou počty závitů v primárním a sekundárním vinutí a Im je budicí proud. Vzhledem k velké budicí impedanci v konstrukci je Im extrémně malý, takže v ideálním stavu jej lze zjednodušit na:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ nebo I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Zde je Kn jmenovitý poměr závitů, například 1000/5A. V tomto okamžiku je velký proud na primární straně přesně proporcionálně převeden na malý proud na sekundární straně (obvykle standardní hodnota 5A nebo 1A) pro bezpečné měření přístroji. Současně je potenciál sekundárního obvodu CT velmi nízký (obvykle jen několik voltů), v bezpečném rozsahu.
Principiální analýza sekundárního obvodu Otevřený obvod
Když se sekundární okruh otevře z důvodů, jako jsou uvolněné svorky, přerušené vodiče nebo náhodné odpojení během testování, jeho provozní stav projde katastrofální změnou.
| Pracovní stav | Normální zavřeno | Sekundární otevřený okruh |
|---|---|---|
| Sekundární proud I2 | Existuje, úměrné I1 | I2=0 |
| Magnetický tok jádra Φ | Účinně potlačeno demagnetizačním tokem generovaným I2, udržovaným na nízké úrovni | Ztrácí potlačení, rychle saturuje na extrémně vysokou hodnotu |
| Sekundární napětí U2 | Velmi nízké (několik voltů) | Indukuje vysoké napětí tisíců až desetitisíců voltů |
| Fyzická esence | Silná vazba, hluboká negativní zpětná vazba: I2 silně odolává změně Φ | Zpětná vazba-vypnuta, akumulace energie: Všechny primární ampér{1}}závity I1N1 se používají k buzení |
Základní fyzikální proces je následující:
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 jádru na nízkou úroveň. Po otevření obvodu I2=0 a demagnetizační efekt se okamžitě vrátí na nulu.
Rychlé nasycení magnetického toku
Primární ampér-závity I1 a N1, nyní neomezené, jsou zcela převedeny na magnetizující ampér-závity. Protože plocha průřezu jádra{5}} je navržena pro nízkou hustotu magnetického toku, jádro rychle vstoupí do stavu hlubokého nasycení.
Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce indukuje střídavý magnetický tok elektromotorickou sílu přes vinutí. Když se magnetický tok dramaticky zvýší, na sekundárním vinutí se indukuje extrémně vysoké napětí U2.
Generování vysokého napětí
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.
Nebezpečí otevřeného obvodu na sekundární straně proudového transformátoru
Vysoké napětí a doprovodné jevy generované přerušeným obvodem na sekundární straně mohou spustit řadu řetězových reakcí nebezpečí.
Nebezpečí úrazu elektrickým proudem
Přítomnost tisíců voltů vysokého napětí na sekundárních svorkách přímo představuje vážné riziko úrazu elektrickým proudem. Personál údržby a oprav, který přijde do kontaktu s tímto napětím bez bezpečnostních opatření, může utrpět úraz elektrickým proudem.
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: Bod s přerušeným obvodem (jako je uvolněná svorka) bude 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.
Nebezpečí provozu systému
Nepřesnost a selhání měření: U elektroměrů typu CT- znemožní nulový vstupní proud měřit elektřinu, což povede ke ztrátě elektřiny a potenciálním sporům o obchodní urovnání.
Generování nebezpečných vysokonapěťových-jisker: Nejde pouze o zdroj vznícení, ale výsledné silné elektromagnetické impulsy mohou také rušit blízké elektronické zařízení.
Závěr
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 týkajících se obvodů CT přísně dodržováno "zabránění otevřeným obvodům".
Současně musí být uzemněna sekundární strana proudového transformátoru připojeného k elektroměru. To spolu se „přísným zákazem otevřených obvodů na sekundární straně“ jsou dvě základní pevná pravidla provozu a údržby CT. Uzemnění umožňuje rychlé vybití vysokonapěťových rázů do země pomocí zemnícího vodiče, čímž se zabrání náhlému zvýšení sekundárního potenciálu, které by mohlo vést k vyhoření zařízení nebo úrazu elektrickým proudem.