I effektmätnings- och övervakningssystem finns elmätare som kräver externa strömtransformatorer (CT) allestädes närvarande; de är våra "ögon" för att noggrant känna av massiva strömmar. Dock dold inom detta sofistikerade system en järnklädd regel som måste följas hela tiden: sekundärsidan av strömtransformatorn får aldrig drivas med en öppen krets. Den här artikeln kommer att fördjupa sig i de underliggande principerna och farorna.
Normal funktionsprincip för strömtransformator
En CT (Current Transformer) är en speciell typ av transformator som fungerar baserat på principen om elektromagnetisk induktion. Dess kärndesignprinciper är "strömminskning" och "isolering".
1. Struktur: Den består vanligtvis av en sluten järnkärna, en primärlindning med färre varv (kopplad i serie i huvudkretsen), och en sekundärlindning med fler varv (ansluten till elmätaren).
2. Idealiskt tillstånd: I en normal sluten krets arbetar CT i ett ungefärligt "kortslutningstillstånd"-. Enligt Amperes kretslag och lagen om elektromagnetisk induktion kommer primärströmmen I1 att generera ett alternerande magnetiskt flöde Φ i järnkärnan, som sedan inducerar en ström I2 på sekundärsidan. Förhållandet mellan de två är som följer:
Där N1 och N2 är antalet varv i primär- och sekundärlindningarna, och Im är excitationsströmmen. På grund av den mycket stora excitationsimpedansen och extremt lilla Im i designen kan den förenklas till följande under idealiska förhållanden:
Här avser Kn det nominella transformationsförhållandet, såsom 1000/5A. I detta fall omvandlas den stora strömmen på primärsidan exakt och proportionellt till en liten ström på sekundärsidan (vanligtvis ett standardvärde på 5A eller 1A) för säker instrumentmätning. Samtidigt är den sekundära kretspotentialen för strömtransformatorn (CT) mycket låg (vanligtvis bara några få volt), inom ett säkert område.
Principanalys när sekundärsidan är öppen
När den sekundära kretsen blir öppen på grund av lösa terminaler, trasiga ledningar eller oavsiktlig frånkoppling under testning, genomgår dess drifttillstånd en katastrofal förändring.
| Driftstatus | Normal stängning | Sekundär vägöppning |
|
|
Finns, proportionell mot I1 |
|
|
Φ |
Effektivt undertryckt av det avmagnetiseringsflöde som genereras av I2 och bibehåller en låg nivå | Förlust av hämning, snabb mättnad till extremt höga värden |
|
|
Mycket låg (flera volt) | Hög spänning på tusentals eller till och med tiotusentals volt inducerades. |
| Fysisk natur | Stark koppling, djup negativ återkoppling: I2 motstår starkt förändringar i Φ | Återkopplingsavbrott och energiackumulering: Alla primära ampere-varv I1 och N1 används för excitation. |
Dess kärnfysiska processer är följande:
1: Försvinnande av avmagnetiserande feedback
Under normal drift är det magnetiska flödet som genereras av sekundärströmmen I2 alltid i motsatt riktning mot det magnetiska flödet som genereras av primärströmmen I1, vilket skapar en stark "avmagnetiserande" effekt som begränsar det kombinerade magnetiska flödet i järnkärnan till en låg nivå. Efter att kretsen har öppnats, I2=0, och avmagnetiseringseffekten återgår omedelbart till noll.
2: Snabb mättnad av magnetiskt flöde
De obalanserade primära ampere-varven I1 och N1 omvandlas helt och hållet till magnetiserande ampere-varv. Eftersom kärnans tvärsnittsarea är utformad för låg magnetisk flödestäthet går kärnan snabbt in i ett djupt mättnadstillstånd vid denna punkt.
Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion kommer alternerande magnetiskt flöde att inducera en elektromotorisk kraft över lindningen. När det magnetiska flödet ökar kraftigt kommer en extremt hög spänning U2 att induceras över sekundärlindningen.
3: Generering av högtryck
Under strömfrekvensförhållanden, för en primärström på flera hundra ampere, kan den inducerade spänningen på den öppna -sekundärsidan lätt nå flera tusen volt, och i extrema fall kan den överstiga 10 kilovolt.
Den nationella standarden GB/T 20840.2-2014 "Instrument Transformers - Part 2: Supplementary Technical Requirements for Current Transformers" har strikta krav på isoleringsprestanda hos instrumenttransformatorer, och denna plötsliga höga spänning överskred vida dess normala designkapacitet.
Faror med öppen krets på sekundärsidan av strömtransformatorn
Den höga spänningen och åtföljande fenomen som genereras av en sekundär öppen krets kan utlösa en serie kedjereaktioner av faror.
1. Risk för elektriska stötar: Det finns tusentals volt högspänning vid de sekundära terminalerna, vilket direkt utgör en allvarlig risk för elektriska stötar. Underhålls- och reparationspersonal som kommer i kontakt med denna spänning utan försiktighetsåtgärder kan drabbas av elektriska stötar.
2. Utrustningsskador:
Isolationsavbrott: Högspänning kommer först att bryta ned mellan-varv och-skiktisoleringen av sekundärlindningen, eller bryta ner isoleringen till jord i sekundärkretsen, vilket leder till permanent skada på strömtransformatorn (CT).
Överhettning och utbrändhet: När järnkärnan är mycket mättad kommer den att generera enorma virvelströmmar och hysteresförluster, vilket gör att järnkärnan överhettas, vilket kan bränna ut lindningsisoleringen och till och med orsaka brand.
Elektrisk ljusbåge och explosion: Öppna kretspunkter (som lösa terminaler) kommer att generera en kontinuerlig elektrisk ljusbåge under hög spänning. Den höga temperaturen på ljusbågen kan bränna ut utrustning, antända omgivande brännbart material och de hög-gaser som samlas i det förseglade skåpet kan till och med orsaka en elektrisk explosion.
3. Systemdriftsrisker
Mätfel och fel: För energimätare av CT-typ kommer en inström på noll att göra dem oförmögna att mäta el, vilket resulterar i förlorad el och potentiella tvister om handelsuppgörelser.
Generering av farliga högspänningsgnistor: Detta är inte bara en antändningskälla, utan de resulterande starka elektromagnetiska pulserna kan också störa närliggande elektronisk utrustning.
Sammanfatta
En öppen krets på sekundärsidan av en strömtransformator utlöser en våldsam ackumulering av elektromagnetisk energi, vilket i slutändan resulterar i en fysisk katastrof som manifesteras som högspänning, starka elektriska ljusbågar och överhettning. Därför, i allt arbete som involverar CT-kretsar, måste "förebyggande av öppna kretsar" strikt följas som en procedur.
Under tiden måste sekundärsidan av strömtransformatorn som är ansluten till elmätaren vara jordad. Detta, tillsammans med "strängt förbjudande av öppna kretsar på den sekundära sidan", är de två centrala reglerna för CT-drift och underhåll. Efter jordning kan den höga spänningen som har ökat snabbt laddas ur till marken genom jordledningen, vilket undviker utrustningsutbränning eller elektriska stötar orsakade av en plötslig ökning av sekundär sidopotential.