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 трансформаторов тока
Трансформатор тока (ТТ) – это особый тип трансформатора, работающий по принципу электромагнитной индукции. Его основными принципами проектирования являются «снижение тока» и «изоляция».
Структура
Обычно он состоит из закрытого железного сердечника, первичной обмотки с относительно небольшим количеством витков (соединенной последовательно в основной цепи) и вторичной обмотки с относительно большим количеством витков (подключенной к счетчику электроэнергии).
Идеальное государство
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, в свою очередь, индуцирует ток I2 на вторичной стороне. Отношения между ними таковы:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Где N1 и N2 — количество витков в первичной и вторичной обмотках, а Im — ток возбуждения. Из-за большого импеданса возбуждения в конструкции Im чрезвычайно мало, поэтому в идеальном состоянии его можно упростить до:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ или I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Здесь Кн — номинальный коэффициент трансформации, например, 1000/5А. В это время большой ток на первичной стороне точно пропорционально преобразуется в малый ток на вторичной стороне (обычно стандартное значение 5 А или 1 А) для безопасного измерения приборами. В то же время потенциал вторичной цепи ТТ очень низок (обычно всего несколько вольт) и находится в пределах безопасного диапазона.
Принципиальный анализ разомкнутой цепи вторичной цепи
Когда вторичная цепь размыкается по таким причинам, как незакрепленные клеммы, обрыв проводов или случайное отключение во время испытаний, ее рабочее состояние претерпевает катастрофические изменения.
| Рабочий статус | Нормальный Закрытый | Вторичная разомкнутая цепь |
|---|---|---|
| Вторичный ток I2 | Существует, пропорционально I1 | I2=0 |
| Магнитный поток сердечника Φ | Эффективно подавляется размагничивающим потоком, генерируемым I2, и поддерживается на низком уровне. | Теряет подавление, быстро насыщается до чрезвычайно высокого значения |
| Вторичное напряжение U2 | Очень низкий (несколько вольт) | Вызывает высокое напряжение от тысяч до даже десятков тысяч вольт. |
| Физическая сущность | Сильная связь, глубокая отрицательная обратная связь: I2 сильно сопротивляется изменению Φ. | Отключение обратной связи-, накопление энергии: все первичные амперные-витки I1N1 используются для возбуждения. |
Основной физический процесс заключается в следующем:
Исчезновение размагничивающей обратной связи.
Во время нормальной работы магнитный поток, создаваемый вторичным током I2, всегда направлен в противоположном направлении по отношению к потоку, создаваемому первичным током I1, создавая сильный эффект «размагничивания», который ограничивает общий магнитный поток в сердечнике на низком уровне. После размыкания цепи I2=0, и эффект размагничивания мгновенно возвращается к нулю.
Быстрое насыщение магнитного потока
Первичные амперные-витки I1 и N1, теперь не ограниченные, полностью преобразуются в амперные-витки намагничивания. Поскольку площадь поперечного сечения-сердечника рассчитана на низкую плотность магнитного потока, 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.
Генерация высокого напряжения
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 превышать 10 киловольт.
Опасность обрыва цепи на вторичной стороне трансформатора тока
Высокое напряжение и сопутствующие явления, вызванные обрывом вторичной цепи, могут вызвать серию цепных реакций опасностей.
Опасность поражения электрическим током
Наличие тысяч вольт высокого напряжения на клеммах вторичной обмотки непосредственно представляет собой серьезную опасность 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.
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. Разомкнутая точка цепи (например, незакрепленная клемма) приведет к возникновению непрерывной электрической дуги 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.
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.
Заключение
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 «предотвращение обрывов цепи».
Одновременно с этим необходимо заземлить вторичную обмотку трансформатора тока, подключенного к счетчику электроэнергии. Это, наряду со «строгим запретом размыкания вторичной цепи», представляет собой два основных незыблемых правила эксплуатации и обслуживания трансформаторов тока. Заземление позволяет быстро отводить любые скачки высокого напряжения на землю через заземляющий провод, предотвращая внезапное повышение вторичного потенциала, которое может привести к перегоранию оборудования или поражению электрическим током.