W systemach pomiaru i monitorowania mocy liczniki energii wymagające zewnętrznych przekładników prądowych (CT) są wszechobecne; są naszymi „oczami” umożliwiającymi dokładne wykrywanie dużych prądów. Jednak w tym wyrafinowanym systemie kryje się kluczowa zasada, której należy zawsze przestrzegać: strona wtórna przekładnika prądowego nie może nigdy pracować w stanie-obwodu otwartego. W tym artykule omówimy zasady i niebezpieczeństwa stojące za tą zasadą.
Normalna zasada działania przekładnika prądowego
Przekładnik prądowy (CT) to specjalny typ transformatora, który działa w oparciu o zasadę indukcji elektromagnetycznej. Jego podstawowa konstrukcja koncentruje się na „redukcji prądu” i „izolacji”.
1. Struktura: Zwykle składa się z zamkniętego żelaznego rdzenia, uzwojenia pierwotnego z mniejszą liczbą zwojów (połączonego szeregowo z obwodem głównym) i uzwojenia wtórnego z większą liczbą zwojów (podłączonego do licznika energii).
2. Stan idealny: w obwodzie normalnie zamkniętym przekładnik prądowy działa w przybliżeniu w stanie-zwarcia. Zgodnie z prawem obwodu Ampere'a i prawem indukcji elektromagnetycznej, prąd pierwotny I1 wytwarza 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 uzwojenia pierwotnego i wtórnego, a Im to prąd wzbudzenia. Ze względu na dużą impedancję wzbudzenia w projekcie Im jest bardzo mała, więc w idealnym przypadku można to uprościć do:
Tutaj Kn jest znamionowym współczynnikiem transformacji, na przykład 1000/5A. W tym momencie duży prąd po stronie pierwotnej jest dokładnie i proporcjonalnie przekształcany na mały prąd po stronie wtórnej (zwykle standardowa wartość 5 A lub 1 A) w celu bezpiecznego pomiaru przez przyrząd. Jednocześnie potencjał obwodu wtórnego przekładnika prądowego jest bardzo niski (zwykle tylko kilka woltów) i mieści się w bezpiecznym zakresie.
Analiza zasad, gdy obwód wtórny jest otwarty-
Kiedy obwód wtórny zostanie otwarty z powodu luźnych zacisków, przerwanych przewodów lub przypadkowego rozłączenia podczas testowania, jego stan pracy ulega katastrofalnej zmianie.
| Warunki pracy | Normalnie zamknięte | Wtórny obwód otwarty |
|---|---|---|
| Prąd wtórny I₂ |
Obecny, proporcjonalny do I₁ | I₂ = 0 |
| Strumień magnetyczny rdzenia Φ |
Strumień rozmagnesowujący wytwarzany przez I₂ skutecznie tłumi strumień rdzenia, utrzymując niski poziom | Tłumienie zostaje utracone; strumień szybko nasyca się do niezwykle wysokiego poziomu |
| Napięcie wtórne U₂ |
Bardzo niski (kilka woltów) | Indukowane wysokie napięcie w zakresie od kilku kilowoltów do kilkudziesięciu kilowoltów |
| Natura fizyczna | Silne sprzężenie, głębokie negatywne sprzężenie zwrotne: I₂ zdecydowanie sprzeciwia się zmianom Φ | Sprzężenie zwrotne przerwane, akumulacja energii: wszystkie pierwotne-zwoje amperowe (I₁N₁) są wykorzystywane do magnesowania |
Podstawowe procesy fizyczne są następujące👇:
1. Zanik sprzężenia zwrotnego rozmagnesowania:Podczas normalnej pracy strumień magnetyczny generowany przez prąd wtórny I2 ma zawsze przeciwny kierunek do strumienia magnetycznego generowanego przez prąd pierwotny I1, tworząc silny efekt „rozmagnesowania”, który ogranicza wynikowy strumień magnetyczny w żelaznym rdzeniu do niskiego poziomu. Po otwarciu obwodu I2=0 i efekt rozmagnesowania natychmiast spada do zera.
2. Szybkie nasycenie strumienia magnetycznego:Niezrównoważone pierwotne-zwoje amperowe I1N1 są całkowicie przekształcane na wzbudzające-zwoje amperowe. Ponieważ pole przekroju poprzecznego rdzenia żelaznego-zaprojektowano z myślą o niskiej gęstości strumienia magnetycznego, rdzeń żelazny szybko wchodzi w stan głębokiego nasycenia.
Zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, zmienny strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniach. Wraz z gwałtownym wzrostem strumienia magnetycznego w uzwojeniu wtórnym indukowane będzie niezwykle wysokie napięcie U2.
3. Wytwarzanie wysokiego napięcia:W warunkach częstotliwości sieciowej, przy prądzie pierwotnym wynoszącym kilkaset amperów, napięcie indukowane po stronie wtórnej z otwartym-obwodem może z łatwością osiągnąć kilka tysięcy woltów, a w skrajnych przypadkach może przekroczyć 10 kilowoltów.
Niebezpieczeństwa związane z rozwarciem obwodu po stronie wtórnej przekładnika prądowego.
Wysokie napięcie i związane z nim zjawiska spowodowane wtórnym przerwaniem-obwodu mogą wywołać szereg zagrożeń związanych z reakcją łańcuchową.
1. Ryzyko porażenia prądem elektrycznym personelu
Na zaciskach przewodów wtórnych występują tysiące woltów wysokiego napięcia, co bezpośrednio stwarza poważne ryzyko porażenia prądem elektrycznym. Personel zajmujący się konserwacją i inspekcją może doznać porażenia prądem elektrycznym, jeśli przypadkowo dotknie tych zacisków bez odpowiedniej ochrony.
2. Uszkodzenie sprzętu
● Awaria izolacji: Wysokie napięcie najpierw przebije izolację pomiędzy zwojami uzwojenia wtórnego, pomiędzy warstwami lub izolację pomiędzy obwodem wtórnym a ziemią, co prowadzi do trwałego uszkodzenia przekładnika prądowego.
● Przegrzanie i spalanie: Gdy rdzeń zostanie silnie nasycony, generuje ogromne straty w postaci prądu wirowego i histerezy, powodując przegrzanie rdzenia. Może to spowodować spalenie izolacji uzwojeń, a nawet wywołać pożar.
● Łuk i eksplozja: Otwarte-punkty obwodu (takie jak luźne zaciski) będą generować trwałe łuki pod wysokim napięciem. Wysoka temperatura łuków może uszkodzić sprzęt, spowodować zapalenie otaczających materiałów palnych, a nagromadzony-gaz o wysokiej temperaturze w zamkniętych szafach może nawet spowodować eksplozję elektryczną.
3. Zagrożenia w funkcjonowaniu systemu
Utrata i awaria pomiaru: w przypadku liczników energii elektrycznej typu CT-prąd wejściowy spada do zera, co uniemożliwia pomiar energii elektrycznej. Prowadzi to do utraty zmierzonej energii elektrycznej i może wywołać spory dotyczące rozliczeń handlowych.
Niebezpieczne iskry-wysokiego napięcia: działają one nie tylko jako źródło zapłonu, ale generowane przez nie intensywne impulsy elektromagnetyczne mogą również zakłócać pracę pobliskiego sprzętu elektronicznego.
Wniosek
Otwarty obwód po stronie wtórnej przekładnika prądowego (CT) powoduje gwałtowną akumulację energii elektromagnetycznej, która ostatecznie jest uwalniana w postaci wysokiego napięcia, silnych łuków i przegrzania – fizyczny proces katastrofalny. Dlatego też we wszystkich pracach związanych z obwodami przekładników prądowych należy ściśle przestrzegać procedury „zapobiegania rozwarciu obwodów”.
Jednocześnie należy uziemić stronę wtórną przekładnika prądowego podłączonego do licznika energii. To, wraz z „ścisłym zakazem otwartych obwodów po stronie wtórnej”, to dwie podstawowe, niezachwiane zasady dotyczące obsługi i konserwacji przekładników prądowych. Uziemienie umożliwia szybkie rozładowanie wysokiego napięcia do ziemi poprzez przewód uziemiający, zapobiegając nagłemu wzrostowi potencjału strony wtórnej, który mógłby spowodować uszkodzenie sprzętu lub wypadki porażenia prądem.