I effektmätnings- och övervakningssystem är elmätare som kräver externa strömtransformatorer (CT) allestädes närvarande; de är våra "ögon" för att exakt 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 strömtransformatorer
En strömtransformator (CT) är en speciell typ av transformator som fungerar baserat på principen om elektromagnetisk induktion. Dess kärndesignprinciper är "strömminskning" och "isolering".
Strukturera
Den består vanligtvis av en sluten järnkärna, en primärlindning med ett relativt litet antal varv (kopplad i serie i huvudkretsen), och en sekundärlindning med ett relativt stort antal varv (ansluten till elmätaren).
Idealisk stat
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, vilket i sin tur inducerar en ström I2 på sekundärsidan. Relationen mellan de två är:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Där N1 och N2 är antalet varv i primär- och sekundärlindningarna, och Im är excitationsströmmen. På grund av den stora excitationsimpedansen i designen är Im extremt liten, så i ett idealiskt tillstånd kan det förenklas till:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ eller I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Här är Kn det nominella varvförhållandet, till exempel 1000/5A. Vid denna tidpunkt omvandlas den stora strömmen på primärsidan korrekt proportionellt till en liten ström på sekundärsidan (vanligtvis ett standardvärde på 5A eller 1A) för säker mätning med instrument. Samtidigt är potentialen för CT:ns sekundära krets mycket låg (vanligtvis bara några få volt), inom ett säkert område.
Principanalys av sekundär krets öppen krets
När den sekundära kretsen blir öppen på grund av orsaker som lösa terminaler, trasiga ledningar eller oavsiktlig frånkoppling under testning, genomgår dess drifttillstånd en katastrofal förändring.
| Arbetsstatus | Normal Stängd | Sekundär öppen krets |
|---|---|---|
| Sekundärström I2 | Finns, proportionell mot I1 | I2=0 |
| Kärnmagnetflöde Φ | Effektivt undertryckt av det avmagnetiseringsflöde som genereras av I2, hålls på en låg nivå | Förlorar undertryckning, mättas snabbt till ett extremt högt värde |
| Sekundärspänning U2 | Mycket låg (flera volt) | Inducerar hög spänning på tusentals till till och med tiotusentals volt |
| Fysisk essens | Stark koppling, djup negativ återkoppling: I2 motstår starkt förändringen av Φ | Feedback avstängd-, energiackumulering: Alla primära ampere-varv I1N1 används för excitation |
Den fysiska kärnprocessen är som följer:
Försvinnande av avmagnetiserande feedback
Under normal drift är det magnetiska flödet som genereras av sekundärströmmen I2 alltid i motsatt riktning mot det som genereras av primärströmmen I1, vilket skapar en stark "avmagnetiserande" effekt som begränsar det kombinerade magnetiska flödet i kärnan till en låg nivå. Efter att kretsen har öppnats, I2=0, och avmagnetiseringseffekten återgår omedelbart till noll.
Snabb mättnad av magnetiskt flöde
De primära ampere-varven I1 och N1, nu ohämmade, 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.
Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion, inducerar alternerande magnetiskt flöde en elektromotorisk kraft över lindningen. När det magnetiska flödet ökar dramatiskt kommer en extremt hög spänning U2 att induceras över sekundärlindningen.
Generering av högspänning
Under strömfrekvensförhållanden, för en primärström på flera hundra ampere, kan den inducerade spänningen på en sekundär sida med öppen krets lätt nå flera tusen volt och i extrema fall överstiga 10 kilovolt.
Faror med öppen krets på sekundärsidan av strömtransformatorn
Den höga spänningen och åtföljande fenomen som genereras av en öppen krets på sekundärsidan kan utlösa en serie kedjereaktioner av faror.
Risk för elektriska stötar
Närvaron av tusentals volt högspänning vid de sekundära terminalerna utgör direkt en allvarlig risk för elektrisk stöt. Underhålls- och reparationspersonal som kommer i kontakt med denna spänning utan försiktighetsåtgärder kan drabbas av elektriska stötar.
Utrustningsskador
Isolationsavbrott: Högspänning kommer först att bryta ned mellan-varv och-lagerisoleringen 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: En öppen kretspunkt (som en lös terminal) kommer att generera en kontinuerlig elektrisk ljusbåge under hög spänning. Den höga temperaturen på ljusbågen kan bränna ut utrustningen, antända omgivande brännbart material, och gaserna med hög-temperatur som samlas i det förseglade skåpet kan till och med orsaka en elektrisk explosion.
Systemdriftsrisker
Mätfel och fel: För energimätare av CT-typ kommer en noll inström att göra dem oförmögna att mäta elektricitet, vilket resulterar i förlorad elektricitet 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.
Slutsats
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 måste "förebygga öppna kretsar" strikt följas i allt arbete som involverar CT-kretsar.
Samtidigt måste sekundärsidan av strömtransformatorn ansluten till elmätaren jordas. Detta, tillsammans med "strängt förbjudande av öppna kretsar på den sekundära sidan", är två centrala regler för CT-drift och underhåll. Jordning gör att alla högspänningsstötar snabbt laddas ur till marken via en jordledning, vilket förhindrar plötsliga ökningar av sekundär potential som kan leda till utbrändhet i utrustningen eller elektriska stötar.