I kraftmålings- og overvåkingssystemer er energimålere som krever eksterne strømtransformatorer (CT-er) allestedsnærværende; de er våre "øyne" for nøyaktig å registrere store strømmer. Innenfor dette sofistikerte systemet ligger imidlertid en avgjørende regel som alltid må følges: sekundærsiden av strømtransformatoren må aldri brukes i en åpen-kretstilstand. Denne artikkelen vil fordype seg i prinsippene og farene bak denne regelen.
Det normale arbeidsprinsippet til en strømtransformator
En strømtransformator (CT) er en spesiell type transformator som fungerer basert på prinsippet om elektromagnetisk induksjon. Dens kjernedesign fokuserer på "strømreduksjon" og "isolasjon."
1. Struktur: Den består typisk av en lukket jernkjerne, en primærvikling med færre vindinger (koblet i serie med hovedkretsen), og en sekundærvikling med flere vindinger (koblet til energimåleren).
2. Ideell tilstand: I en normalt lukket krets opererer CT i en tilnærmet "kortslutningstilstand". I henhold til Amperes kretslov og loven om elektromagnetisk induksjon, genererer primærstrømmen I1 en vekslende magnetisk fluks Φ i jernkjernen, som igjen induserer en strøm I2 i sekundærsiden. Forholdet mellom dem er:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
hvor N1 og N2 er antall vindinger av primær- og sekundærviklingene, og Im er eksitasjonsstrømmen. På grunn av den store eksitasjonsimpedansen i designet, er Im veldig liten, så i det ideelle tilfellet kan det forenkles til:
Her er Kn det nominelle transformasjonsforholdet, for eksempel 1000/5A. På dette tidspunktet konverteres den store strømmen på primærsiden nøyaktig og proporsjonalt til en liten strøm på sekundærsiden (vanligvis en standardverdi på 5A eller 1A) for sikker måling av instrumentet. Samtidig er potensialet til CT-ens sekundære krets veldig lavt (vanligvis bare noen få volt), som er innenfor et trygt område.
Prinsippanalyse når sekundærsiden er åpen-krets
Når sekundærkretsen blir åpen på grunn av løse terminaler, ødelagte ledninger eller utilsiktet frakobling under testing, gjennomgår driftstilstanden en katastrofal endring.
| Driftstilstand | Normalt stengt | Sekundær åpen krets |
|---|---|---|
| Sekundærstrøm I₂ |
Tilstede, proporsjonal med I1 | I₂ = 0 |
| Kjernemagnetisk fluks Φ |
Den avmagnetiserende fluksen produsert av I₂ undertrykker effektivt kjernefluksen, og opprettholder et lavt nivå | Undertrykkelse går tapt; fluks mettes raskt til et ekstremt høyt nivå |
| Sekundær spenning U₂ |
Veldig lavt (noen få volt) | Indusert høyspenning i området flere kilovolt opp til titalls kilovolt |
| Fysisk natur | Sterk kobling, dyp negativ tilbakemelding: I₂ motsetter seg sterkt endringer i Φ | Tilbakemelding avbrutt, energiakkumulering: alle primære ampere-omdreininger (I₁N₁) brukes til magnetisering |
De fysiske kjerneprosessene er som følger👇:
1. Forsvinning av demagnetiserende tilbakemelding:Under normal drift er den magnetiske fluksen generert av sekundærstrømmen I2 alltid motsatt i retning av den magnetiske fluksen generert av primærstrømmen I1, og skaper en sterk "avmagnetiseringseffekt" som begrenser den resulterende magnetiske fluksen i jernkjernen til et lavt nivå. Etter at kretsen er åpnet, I2=0, og avmagnetiseringseffekten faller øyeblikkelig til null.
2. Rask metning av magnetisk fluks:De ubalanserte primærampere-svingene I1N1 blir fullstendig konvertert til spennende ampere-omdreininger. Siden jernkjernens tverrsnittsareal- er designet for lav magnetisk flukstetthet, går jernkjernen raskt inn i en tilstand av dyp metning.
I følge Faradays lov om elektromagnetisk induksjon induserer den vekslende magnetiske fluksen en elektromotorisk kraft over viklingene. Med den raske økningen i magnetisk fluks vil en ekstremt høy spenning U2 bli indusert over sekundærviklingen.
3. Generering av høyspenning:Under strømfrekvensforhold, for en primærstrøm på flere hundre ampere, kan den induserte spenningen på den åpne-sekundærsiden lett nå flere tusen volt, og i ekstreme tilfeller kan den overstige 10 kilovolt.
Farene ved en åpen krets på sekundærsiden av en strømtransformator.
Høyspenningen og tilhørende fenomener forårsaket av en sekundær åpen-krets kan utløse en rekke kjedereaksjonsfarer.
1. Risiko for elektrisk støt for personell
Tusenvis av volt med høy spenning finnes på de sekundære ledningsterminalene, noe som direkte skaper en alvorlig risiko for elektrisk støt. Vedlikeholds- og inspeksjonspersonell kan få elektrisk støt hvis de ved et uhell berører disse terminalene uten riktig beskyttelse.
2. Skade på utstyr
● Isolasjonsbrudd: Høyspenningen vil først punktere isolasjonen mellom sekundære viklingssvinger, mellom lag, eller isolasjonen mellom sekundærkretsen og jord, noe som fører til permanent skade på CT.
● Overoppheting og brenning: Etter at kjernen blir svært mettet, genererer den enorme virvelstrøm- og hysteresetap, noe som får kjernen til å overopphetes. Dette kan brenne viklingsisolasjonen og til og med utløse brann.
● Bue og eksplosjon: Åpne-kretspunkter (som løse terminaler) vil generere vedvarende lysbuer under høy spenning. Den høye temperaturen på lysbuene kan skade utstyr, antenne omkringliggende brennbare materialer, og den akkumulerte gassen med høy-temperatur i lukkede skap kan til og med forårsake en elektrisk eksplosjon.
3. Farer for systemdrift
Målingstap og -feil: For strømmålere av typen CT- blir inngangsstrømmen null, noe som gjør dem ute av stand til å måle elektrisitet. Dette fører til tap av målt elektrisitet og kan utløse tvister om handelsoppgjør.
Farlige høyspenningsgnister: Disse fungerer ikke bare som en tennkilde, men de intense elektromagnetiske pulsene de genererer kan også forstyrre elektronisk utstyr i nærheten.
Konklusjon
En åpen krets på sekundærsiden av en strømtransformator (CT) utløser en voldsom akkumulering av elektromagnetisk energi, som til slutt frigjøres i form av høyspenning, sterke lysbuer og overoppheting – en fysisk katastrofal prosess. Derfor, i alt arbeid som involverer CT-kretser, må "forebygging av åpne kretser" være en strengt fulgt prosedyre.
Samtidig skal sekundærsiden av strømtransformatoren koblet til energimåleren jordes. Dette, sammen med "strengt forbud mot åpne kretser på sekundærsiden," er de to kjernene jernkledde reglene for CT-drift og vedlikehold. Jording gjør at høyspenningen raskt kan utlades til bakken gjennom jordingsledningen, og forhindrer en plutselig økning i sekundærsidepotensialet som kan forårsake skade på utstyret eller ulykker med elektrisk støt.