W systemach pomiaru i monitorowania mocy liczniki energii elektrycznej wymagające zewnętrznych przekładników prądowych (CT) są wszechobecne; są naszymi „oczami” umożliwiającymi dokładne wykrywanie potężnych prądów. Jednakże w tym wyrafinowanym systemie kryje się żelazna zasada, której należy zawsze przestrzegać: strona wtórna przekładnika prądowego nie może nigdy pracować z obwodem otwartym. W tym artykule omówimy podstawowe zasady i związane z tym niebezpieczeństwa.
Normalna zasada działania przekładnika prądowego
CT (ang. Current Transformer) to specjalny rodzaj transformatora, który działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Podstawowe zasady jego projektowania to „redukcja prądu” i „izolacja”.
1. Struktura: Zwykle składa się z zamkniętego żelaznego rdzenia, uzwojenia pierwotnego z mniejszą liczbą zwojów (połączonego szeregowo w obwodzie głównym) i uzwojenia wtórnego z większą liczbą zwojów (podłączonego do licznika energii elektrycznej).
2. Stan idealny: w normalnie zamkniętym obwodzie przekładnik prądowy działa w przybliżeniu w stanie-zwarcia. Zgodnie z prawem obwodu Ampere'a i prawem indukcji elektromagnetycznej, prąd pierwotny I1 będzie generował zmienny strumień magnetyczny Φ w żelaznym rdzeniu, który następnie indukuje prąd I2 po stronie wtórnej. Zależność między nimi jest następująca:
Gdzie N1 i N2 to liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, a Im to prąd wzbudzenia. Ze względu na bardzo dużą impedancję wzbudzenia i wyjątkowo mały Im w konstrukcji, w idealnych warunkach można to uprościć do następujących elementów:
Tutaj Kn odnosi się do znamionowego współczynnika transformacji, takiego jak 1000/5A. W tym przypadku duży prąd po stronie pierwotnej jest precyzyjnie i proporcjonalnie przekształcany na mały prąd po stronie wtórnej (zazwyczaj standardowa wartość 5 A lub 1 A) w celu bezpiecznego pomiaru przyrządu. Jednocześnie potencjał obwodu wtórnego przekładnika prądowego (CT) jest bardzo niski (zwykle tylko kilka woltów), w bezpiecznym zakresie.
Analiza zasad, gdy strona wtórna jest otwarta
Kiedy obwód wtórny zostanie otwarty z powodu luźnych zacisków, zerwanych przewodów lub przypadkowego rozłączenia podczas testowania, jego stan pracy ulega katastrofalnej zmianie.
| Stan operacyjny | Normalne zamknięcie | Otwarcie drogi drugorzędnej |
|
|
Istnieje proporcjonalnie do I1 |
|
|
Φ |
Skutecznie tłumiony przez strumień rozmagnesowujący generowany przez I2, utrzymując niski poziom | Utrata hamowania, szybkie nasycenie do ekstremalnie wysokich wartości |
|
|
Bardzo niski (kilka woltów) | Indukowano wysokie napięcie rzędu tysięcy, a nawet dziesiątek tysięcy woltów. |
| Natura fizyczna | Silne sprzężenie, głębokie ujemne sprzężenie zwrotne: I2 silnie opiera się zmianom Φ | Odcięcie sprzężenia zwrotnego i akumulacja energii: wszystkie pierwotne-zwoje amperowe I1 i N1 są wykorzystywane do wzbudzenia. |
Jego podstawowe procesy fizyczne są następujące:
1: Zanik sprzężenia zwrotnego rozmagnesowania
Podczas normalnej pracy strumień magnetyczny generowany przez prąd wtórny I2 jest zawsze skierowany w przeciwnym kierunku do strumienia magnetycznego generowanego przez prąd pierwotny I1, tworząc silny efekt „rozmagnesowania”, który ogranicza łączny strumień magnetyczny w żelaznym rdzeniu do niskiego poziomu. Po otwarciu obwodu I2=0 i efekt rozmagnesowania natychmiast powraca do zera.
2: Szybkie nasycenie strumienia magnetycznego
Niezrównoważone pierwotne-zwoje amperowe I1 i N1 są całkowicie przekształcane w zwoje magnetyzujące-amperowe. Ponieważ pole przekroju poprzecznego rdzenia-zaprojektowano z myślą o niskiej gęstości strumienia magnetycznego, w tym momencie rdzeń szybko wchodzi w stan głębokiego nasycenia.
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, przemienny strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu. Gdy strumień magnetyczny gwałtownie wzrośnie, w uzwojeniu wtórnym indukowane będzie niezwykle wysokie napięcie U2.
3: Wytwarzanie wysokiego ciśnienia
W warunkach częstotliwości sieciowej, przy prądzie pierwotnym wynoszącym kilkaset amperów, napięcie indukowane po stronie wtórnej-otwartego obwodu może z łatwością osiągnąć kilka tysięcy woltów, a w skrajnych przypadkach może przekroczyć 10 kilowoltów.
Norma krajowa GB/T 20840.2-2014 „Przekładniki przyrządowe – Część 2: Dodatkowe wymagania techniczne dla przekładników prądowych” zawiera rygorystyczne wymagania dotyczące właściwości izolacyjnych przekładników, a to nagłe wysokie napięcie znacznie przekroczyło normalne możliwości projektowe.
Niebezpieczeństwa związane z rozwarciem obwodu po stronie wtórnej przekładnika prądowego
Wysokie napięcie i towarzyszące mu zjawiska generowane przez wtórny obwód otwarty mogą wywołać szereg reakcji łańcuchowych zagrożeń.
1. Niebezpieczeństwo porażenia prądem elektrycznym: Na zaciskach wtórnych występują tysiące woltów wysokiego napięcia, co bezpośrednio stwarza poważne ryzyko porażenia prądem. Personel zajmujący się konserwacją i naprawami, który bez zachowania środków ostrożności zetknie się z tym napięciem, może zostać porażony prądem elektrycznym.
2. Uszkodzenie sprzętu:
Awaria izolacji: wysokie napięcie najpierw uszkodzi izolację między-zwojami i-warstwami uzwojenia wtórnego lub izolację do masy w obwodzie wtórnym, co doprowadzi do trwałego uszkodzenia przekładnika prądowego (CT).
Przegrzanie i wypalenie: Gdy żelazny rdzeń jest silnie nasycony, będzie generować ogromne prądy wirowe i straty histerezy, powodując przegrzanie żelaznego rdzenia, co może spalić izolację uzwojenia, a nawet spowodować pożar.
Łuk elektryczny i eksplozja: Otwarte punkty obwodu (takie jak luźne zaciski) będą generować ciągły łuk elektryczny pod wysokim napięciem. Wysoka temperatura łuku może spalić sprzęt i spowodować zapalenie otaczających go materiałów palnych, a-gazy o wysokiej temperaturze zgromadzone w szczelnej obudowie mogą nawet spowodować eksplozję elektryczną.
3. Zagrożenia eksploatacyjne systemu
Niedokładność i awaria pomiaru: w przypadku liczników energii typu CT-zero prądu wejściowego uniemożliwi pomiar energii elektrycznej, co spowoduje utratę energii elektrycznej i potencjalne spory dotyczące ugody handlowej.
Generowanie niebezpiecznych iskier-o wysokim napięciu: jest to nie tylko źródło zapłonu, ale powstające silne impulsy elektromagnetyczne mogą również zakłócać pobliski sprzęt elektroniczny.
Streszczać
Otwarty obwód po stronie wtórnej przekładnika prądowego powoduje gwałtowną akumulację energii elektromagnetycznej, co ostatecznie skutkuje katastrofą fizyczną objawiającą się wysokim napięciem, silnym łukiem elektrycznym i przegrzaniem. Dlatego też we wszystkich pracach związanych z obwodami CT należy ściśle przestrzegać procedury „zapobiegania otwarciu obwodu”.
Tymczasem strona wtórna przekładnika prądowego podłączonego do licznika energii elektrycznej musi być uziemiona. To, wraz z „ścisłym zakazem otwartych obwodów po stronie wtórnej”, to dwie podstawowe, żelazne zasady obsługi i konserwacji przekładników prądowych. Po uziemieniu, wysokie napięcie, które nastąpiło, można szybko rozładować do ziemi poprzez przewód uziemiający, co pozwala uniknąć spalenia sprzętu lub wypadków porażenia prądem spowodowanym nagłym wzrostem potencjału strony wtórnej.