В системах измерения и мониторинга электроэнергии повсеместно используются счетчики электроэнергии, для которых требуются внешние трансформаторы тока (ТТ); они — наши «глаза», позволяющие точно улавливать массивные течения. Однако внутри этой сложной системы скрыто железное правило, которое необходимо всегда соблюдать: вторичная обмотка трансформатора тока никогда не должна работать с разомкнутой цепью. В этой статье мы углубимся в основополагающие принципы и связанные с этим опасности.
Нормальный принцип работы трансформатора тока
CT (Трансформатор тока) — это особый тип трансформатора, работающий на основе принципа электромагнитной индукции. Его основными принципами проектирования являются «снижение тока» и «изоляция».
1. Структура: Обычно он состоит из закрытого железного сердечника, первичной обмотки с меньшим количеством витков (подключенной последовательно в основной цепи) и вторичной обмотки с большим количеством витков (подключенной к счетчику электроэнергии).
2. Идеальное состояние. В нормальной замкнутой цепи трансформатор тока работает приблизительно в состоянии «короткого-замыкания». Согласно закону цепи Ампера и закону электромагнитной индукции, первичный ток I1 будет генерировать переменный магнитный поток Φ в железном сердечнике, который затем индуцирует ток I2 на вторичной стороне. Отношения между ними следующие:
Где N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках, а Im — ток возбуждения. Благодаря очень большому сопротивлению возбуждения и чрезвычайно малому значению Im в конструкции, в идеальных условиях ее можно упростить до следующего:
Здесь Kn относится к номинальному коэффициенту трансформации, например 1000/5А. В этом случае большой ток на первичной стороне точно и пропорционально преобразуется в малый ток на вторичной стороне (обычно стандартное значение 5 А или 1 А) для безопасных измерений прибора. В то же время потенциал вторичной цепи трансформатора тока (ТТ) очень низкий (обычно всего несколько вольт), в пределах безопасного диапазона.
Принцип анализа, когда вторичная сторона открыта
Когда вторичная цепь размыкается из-за незакрепленных клемм, обрыва проводов или случайного отключения во время испытаний, ее рабочее состояние претерпевает катастрофические изменения.
| Рабочее состояние | Нормальное закрытие | Открытие второстепенной дороги |
|
|
Существует, пропорционально I1 |
|
|
Φ |
Эффективно подавляется размагничивающим потоком, генерируемым I2, поддерживая низкий уровень | Потеря торможения, быстрое насыщение до чрезвычайно высоких значений |
|
|
Очень низкий (несколько вольт) | Было индуцировано высокое напряжение в тысячи или даже десятки тысяч вольт. |
| Физическая природа | Сильная связь, глубокая отрицательная обратная связь: I2 сильно сопротивляется изменениям Φ. | Отключение обратной связи и накопление энергии. Все первичные амперные-витки I1 и N1 используются для возбуждения. |
Его основные физические процессы заключаются в следующем:
1. Исчезновение размагничивающей обратной связи.
Во время нормальной работы магнитный поток, генерируемый вторичным током I2, всегда направлен в противоположном направлении магнитному потоку, генерируемому первичным током I1, создавая сильный эффект «размагничивания», который удерживает комбинированный магнитный поток в железном сердечнике на низком уровне. После размыкания цепи I2=0, и эффект размагничивания мгновенно возвращается к нулю.
2: Быстрое насыщение магнитного потока
Несбалансированные первичные амперные-витки I1 и N1 полностью преобразуются в амперные-витки намагничивания. Поскольку площадь поперечного сечения-сердечника рассчитана на низкую плотность магнитного потока, в этой точке сердечник быстро переходит в состояние глубокого насыщения.
Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, переменный магнитный поток индуцирует электродвижущую силу в обмотке. Когда магнитный поток резко возрастает, во вторичной обмотке индуцируется чрезвычайно высокое напряжение U2.
3: Создание высокого давления
В условиях промышленной частоты при первичном токе в несколько сотен ампер индуцированное напряжение на вторичной стороне разомкнутой-цепи может легко достигать нескольких тысяч вольт, а в крайних случаях может превышать 10 киловольт.
Национальный стандарт GB/T 20840.2-2014 «Измерительные трансформаторы. Часть 2: Дополнительные технические требования для трансформаторов тока» предъявляет строгие требования к изоляционным характеристикам измерительных трансформаторов, и это внезапное высокое напряжение намного превысило его нормальную расчетную мощность.
Опасность обрыва цепи на вторичной стороне трансформатора тока
Высокое напряжение и сопутствующие явления, вызванные разомкнутой вторичной цепью, могут вызвать серию цепных реакций опасностей.
1. Опасность поражения электрическим током. На клеммах вторичной обмотки присутствует высокое напряжение в тысячи вольт, что непосредственно представляет серьезный риск поражения электрическим током. Персонал по техническому обслуживанию и ремонту, который без соблюдения мер предосторожности вступит в контакт с этим напряжением, может получить удар электрическим током.
2. Повреждение оборудования:
Пробой изоляции. Высокое напряжение сначала разрушит меж-витковую и меж-слойную изоляцию вторичной обмотки или разрушит изоляцию от земли во вторичной цепи, что приведет к необратимому повреждению трансформатора тока (ТТ).
Перегрев и перегорание. Когда железный сердечник сильно насыщен, он генерирует огромные вихревые токи и потери на гистерезис, вызывая перегрев железного сердечника, что может привести к сгоранию изоляции обмотки и даже вызвать пожар.
Электрическая дуга и взрыв: В точках разомкнутой цепи (например, незакрепленных клеммах) образуется непрерывная электрическая дуга под высоким напряжением. Высокая температура дуги может сжечь оборудование, воспламенить окружающие горючие материалы, а газы с высокой-температурой, скопившиеся в герметичном шкафу, могут даже вызвать электрический взрыв.
3. Опасности при работе системы
Неточность и сбой измерения. Для счетчиков энергии типа CT-нулевой входной ток делает их неспособными измерять электроэнергию, что приводит к потерям электроэнергии и возможным спорам при урегулировании торговых споров.
Генерирование опасных искр высокого-напряжения. Это не только источник воспламенения, но и возникающие в результате сильные электромагнитные импульсы могут также создавать помехи для расположенного поблизости электронного оборудования.
Подвести итог
Разрыв цепи на вторичной стороне трансформатора тока вызывает резкое накопление электромагнитной энергии, что в конечном итоге приводит к физической катастрофе, проявляющейся в виде высокого напряжения, сильных электрических дуг и перегрева. Поэтому при всех работах с цепями ТТ необходимо строго соблюдать процедуру «предотвращения обрыва цепи».
При этом вторичная обмотка трансформатора тока, подключенного к счетчику электроэнергии, должна быть заземлена. Это, наряду со «строгим запретом размыкания вторичной цепи», являются двумя основными непреложными правилами эксплуатации и обслуживания трансформаторов тока. После заземления возникшее высокое напряжение можно быстро отвести на землю через заземляющий провод, что позволяет избежать перегорания оборудования или поражения электрическим током, вызванного внезапным повышением потенциала вторичной обмотки.