I kraftmålings- og overvåkingssystemer er strømmålere som krever eksterne strømtransformatorer (CT-er) allestedsnærværende; de er våre "øyne" for nøyaktig sensing av massive strømmer. Skjult i dette sofistikerte systemet er imidlertid en jernbelagt regel som må følges til enhver tid: sekundærsiden av strømtransformatoren må aldri brukes med en åpen krets. Denne artikkelen vil fordype seg i de underliggende prinsippene og farene involvert.
Normalt driftsprinsipp for strømtransformatorer
En strømtransformator (CT) er en spesiell type transformator som fungerer basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Dens kjernedesignprinsipper er "strømreduksjon" og "isolasjon."
Struktur
Den består typisk av en lukket jernkjerne, en primærvikling med et relativt lite antall vindinger (koblet i serie i hovedkretsen), og en sekundærvikling med et relativt stort antall vindinger (koblet til strømmåleren).
Ideell stat
I en normal lukket krets opererer CT i en tilnærmet "kortslutningstilstand". I henhold til Amperes kretslov og loven om elektromagnetisk induksjon vil primærstrømmen I1 generere en vekslende magnetisk fluks Φ i jernkjernen, som igjen induserer en strøm I2 på sekundærsiden. Forholdet mellom de to er:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Hvor N1 og N2 er antall vindinger i primær- og sekundærviklingene, og Im er eksitasjonsstrømmen. På grunn av den store eksitasjonsimpedansen i designet er Im ekstremt liten, så i en ideell tilstand kan den forenkles til:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ eller I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Her er Kn det nominelle svingforholdet, for eksempel 1000/5A. På dette tidspunktet konverteres den store strømmen på primærsiden nøyaktig proporsjonalt til en liten strøm på sekundærsiden (vanligvis en standardverdi på 5A eller 1A) for sikker måling med instrumenter. Samtidig er potensialet til CT-ens sekundære krets veldig lavt (vanligvis bare noen få volt), innenfor et sikkert område.
Prinsippanalyse av sekundærkrets åpen krets
Når sekundærkretsen blir åpen på grunn av årsaker som løse terminaler, ødelagte ledninger eller utilsiktet frakobling under testing, gjennomgår driftstilstanden en katastrofal endring.
| Arbeidsstatus | Normal Stengt | Sekundær åpen krets |
|---|---|---|
| Sekundærstrøm I2 | Finnes, proporsjonal med I1 | I2=0 |
| Kjernemagnetisk fluks Φ | Effektivt undertrykt av avmagnetiseringsfluksen generert av I2, holdt på et lavt nivå | Mister undertrykkelse, metter raskt til en ekstremt høy verdi |
| Sekundærspenning U2 | Veldig lav (flere volt) | Induserer høy spenning på tusenvis til titusenvis av volt |
| Fysisk essens | Sterk kobling, dyp negativ tilbakemelding: I2 motstår sterkt endringen av Φ | Feedback kuttet-av, energiakkumulering: Alle primære ampere-svinger I1N1 brukes til eksitasjon |
Den fysiske kjerneprosessen er som følger:
Forsvinning av avmagnetiserende tilbakemelding
Under normal drift er den magnetiske fluksen generert av sekundærstrømmen I2 alltid i motsatt retning av den som genereres av primærstrømmen I1, og skaper en sterk "avmagnetiserende" effekt som begrenser den kombinerte magnetiske fluksen i kjernen til et lavt nivå. Etter at kretsen er åpnet, I2=0, og avmagnetiseringseffekten går umiddelbart tilbake til null.
Rask metning av magnetisk fluks
De primære ampere-svingene I1 og N1, nå uhemmet, blir fullstendig omdannet til magnetiserende ampere-omdreininger. Siden kjernetverrsnittsarealet er designet for lav magnetisk flukstetthet, går kjernen raskt inn i en dyp metningstilstand.
I henhold til Faradays lov om elektromagnetisk induksjon induserer alternerende magnetisk fluks en elektromotorisk kraft over viklingen. Når den magnetiske fluksen øker dramatisk, vil en ekstrem høy spenning U2 induseres over sekundærviklingen.
Generering av høyspenning
Under strømfrekvensforhold, for en primærstrøm på flere hundre ampere, kan den induserte spenningen på en sekundærside med åpen -krets lett nå flere tusen volt, og i ekstreme tilfeller overstige 10 kilovolt.
Farer ved åpen krets på sekundærsiden av strømtransformatoren
Høyspenningen og medfølgende fenomener generert av en åpen krets på sekundærsiden kan utløse en rekke kjedereaksjoner av farer.
Fare for elektrisk støt
Tilstedeværelsen av tusenvis av volt høyspenning ved sekundærterminalene utgjør direkte en alvorlig risiko for elektrisk støt. Vedlikeholds- og reparasjonspersonell som kommer i kontakt med denne spenningen uten forholdsregler kan få elektrisk støt.
Skade på utstyr
Isolasjonsbrudd: Høyspent vil først bryte ned mellom-sving- og mellomlagsisolasjonen til sekundærviklingen, eller bryte ned isolasjonen til jord i sekundærkretsen, noe som fører til permanent skade på strømtransformatoren (CT).
Overoppheting og utbrenthet: Når jernkjernen er svært mettet, vil den generere enorme virvelstrømmer og hysterese-tap, noe som fører til at jernkjernen overopphetes, noe som kan brenne ut viklingsisolasjonen og til og med forårsake brann.
Elektrisk lysbue og eksplosjon: Et åpent kretspunkt (som en løs terminal) vil generere en kontinuerlig elektrisk lysbue under høy spenning. Den høye temperaturen på lysbuen kan brenne ut utstyret, antenne omkringliggende brennbare stoffer, og gassene med høy-temperatur som samles opp i det forseglede kabinettet kan til og med forårsake en elektrisk eksplosjon.
Systemdriftsfarer
Målingsunøyaktighet og feil: For energimålere av typen CT- vil en null inngangsstrøm gjøre dem ute av stand til å måle elektrisitet, noe som resulterer i tapt elektrisitet og potensielle handelsoppgjørstvister.
Generering av farlige høyspenningsgnister: Dette er ikke bare en tennkilde, men de resulterende sterke elektromagnetiske pulsene kan også forstyrre elektronisk utstyr i nærheten.
Konklusjon
En åpen krets på sekundærsiden av en strømtransformator utløser en voldsom akkumulering av elektromagnetisk energi, som til slutt resulterer i en fysisk katastrofe manifestert som høyspenning, sterke elektriske lysbuer og overoppheting. Derfor må "forebygging av åpne kretser" følges strengt i alt arbeid som involverer CT-kretser.
Samtidig skal sekundærsiden av strømtransformatoren koblet til strømmåleren jordes. Dette, sammen med "strengt forbud mot åpne kretser på sekundærsiden," er to sentrale jernbelagte regler for CT-drift og vedlikehold. Jording gjør at alle høyspenningsstøt raskt kan utlades til bakken via en jordingsledning, og forhindrer plutselige økninger i sekundært potensial som kan føre til utbrent utstyr eller ulykker med elektrisk støt.