W systemach pomiaru i monitorowania mocy liczniki energii elektrycznej wymagające zewnętrznych przekładników prądowych (CT) są wszechobecne; są naszymi „oczami” umożliwiającymi dokładne wykrywanie potężnych prądów. Jednak 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 przekładników prądowych
Przekładnik prądowy (CT) to specjalny typ transformatora, który działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Podstawowe zasady jego projektowania to „redukcja prądu” i „izolacja”.
Struktura
Zwykle składa się z zamkniętego żelaznego rdzenia, uzwojenia pierwotnego o stosunkowo małej liczbie zwojów (połączonego szeregowo w obwodzie głównym) i uzwojenia wtórnego o stosunkowo dużej liczbie zwojów (podłączonego do licznika energii elektrycznej).
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 z kolei indukuje prąd I2 po stronie wtórnej. Związek między nimi jest następujący:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Gdzie N1 i N2 to liczba zwojów w uzwojeniu pierwotnym i wtórnym, a Im to prąd wzbudzenia. Ze względu na dużą impedancję wzbudzenia w konstrukcji Im jest wyjątkowo mała, więc w stanie idealnym można ją uprościć do:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ lub I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Tutaj Kn jest znamionowym współczynnikiem zwojów, na przykład 1000/5A. W tym momencie duży prąd po stronie pierwotnej jest dokładnie proporcjonalnie przekształcany na mały prąd po stronie wtórnej (zwykle standardowa wartość 5 A lub 1 A) w celu bezpiecznego pomiaru przez przyrządy. Jednocześnie potencjał obwodu wtórnego przekładnika prądowego jest bardzo niski (zwykle tylko kilka woltów) i mieści się w bezpiecznym zakresie.
Zasada analizy obwodu otwartego obwodu wtórnego
Kiedy obwód wtórny zostanie otwarty z przyczyn takich jak luźne zaciski, przerwane przewody lub przypadkowe rozłączenie podczas testowania, jego stan pracy ulega katastrofalnej zmianie.
| Stan pracy | Normalnie Zamknięte | Wtórny obwód otwarty |
|---|---|---|
| Prąd wtórny I2 | Istnieje proporcjonalnie do I1 | I2=0 |
| Strumień magnetyczny rdzenia Φ | Skutecznie tłumione przez strumień rozmagnesowujący generowany przez I2, utrzymywany na niskim poziomie | Traci tłumienie, szybko nasyca się do wyjątkowo wysokiej wartości |
| Napięcie wtórne U2 | Bardzo niski (kilka woltów) | Indukuje wysokie napięcie rzędu kilku tysięcy, a nawet kilkudziesięciu tysięcy woltów |
| Istota fizyczna | Silne sprzężenie, głębokie ujemne sprzężenie zwrotne: I2 silnie opiera się zmianie Φ | Odcięcie-sprzężenia zwrotnego, akumulacja energii: wszystkie pierwotne-zwoje amperowe I1N1 są wykorzystywane do wzbudzenia |
Podstawowy proces fizyczny przebiega następująco:
Zanik sprzężenia zwrotnego rozmagnesowania
Podczas normalnej pracy strumień magnetyczny generowany przez prąd wtórny I2 jest zawsze skierowany w przeciwnym kierunku do strumienia generowanego przez prąd pierwotny I1, tworząc silny efekt „rozmagnesowania”, który ogranicza łączny strumień magnetyczny w rdzeniu do niskiego poziomu. Po otwarciu obwodu I2=0 i efekt rozmagnesowania natychmiast powraca do zera.
Szybkie nasycenie strumienia magnetycznego
Główne-zwoje amperowe I1 i N1, teraz nieutwierdzone, są całkowicie przekształcane w zwoje magnetyzujące-amperowe. Ponieważ pole przekroju poprzecznego rdzenia-zaprojektowano z myślą o niskiej gęstości strumienia magnetycznego, rdzeń szybko przechodzi w stan głębokiego nasycenia.
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, zmienny strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu. Gdy strumień magnetyczny gwałtownie wzrośnie, w uzwojeniu wtórnym indukowane będzie niezwykle wysokie napięcie U2.
Generacja wysokiego napięcia
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 przekroczyć 10 kilowoltów.
Zagrożenia związane z otwartym obwodem po stronie wtórnej przekładnika prądowego
Wysokie napięcie i towarzyszące mu zjawiska generowane przez otwarty obwód po stronie wtórnej mogą wywołać szereg reakcji łańcuchowych zagrożeń.
Niebezpieczeństwo porażenia prądem
Obecność tysięcy woltów wysokiego napięcia na zaciskach wtórnych 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.
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: Kiedy żelazny rdzeń jest silnie nasycony, będzie generował ogromne prądy wirowe i straty histerezy, powodując przegrzanie żelaznego rdzenia, co może spalić izolację uzwojenia, a nawet spowodować pożar.
Łuk elektryczny i eksplozja: Otwarty punkt obwodu (taki jak luźny zacisk) wygeneruje ciągły łuk elektryczny pod wysokim napięciem. Wysoka temperatura łuku może spalić sprzęt, spowodować zapalenie otaczających go materiałów palnych, a-gazy o wysokiej temperaturze zgromadzone w szczelnej obudowie mogą nawet spowodować eksplozję elektryczną.
Zagrożenia związane z działaniem 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.
Wniosek
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 przekładników prądowych należy ściśle przestrzegać zasady „zapobiegania rozwarciu obwodów”.
Jednocześnie należy uziemić stronę wtórną przekładnika prądowego podłączonego do licznika energii elektrycznej. To, wraz z „ścisłym zakazem tworzenia obwodów otwartych po stronie wtórnej”, to dwie podstawowe, niezachwiane zasady obsługi i konserwacji przekładników prądowych. Uziemienie umożliwia szybkie odprowadzenie wszelkich przepięć wysokiego napięcia do ziemi za pomocą przewodu uziemiającego, zapobiegając nagłemu wzrostowi potencjału wtórnego, który mógłby prowadzić do spalenia sprzętu lub wypadków porażenia prądem.