در سیستمهای اندازهگیری و مانیتورینگ توان، کنتورهای برق که به ترانسفورماتورهای جریان خارجی (CTs) نیاز دارند، در همه جا وجود دارند. آنها "چشم" ما برای تشخیص دقیق جریان های عظیم هستند. با این حال، در این سیستم پیچیده یک قانون آهنین پنهان است که باید همیشه رعایت شود: طرف ثانویه ترانسفورماتور جریان هرگز نباید با مدار باز کار کند. این مقاله به اصول اساسی و خطرات موجود می پردازد.
اصل عملکرد عادی ترانسفورماتور جریان
CT (Current Transformer) نوع خاصی از ترانسفورماتور است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند. اصول طراحی اصلی آن «کاهش جریان» و «ایزوله» است.
1. ساختار: معمولاً از یک هسته آهنی بسته، یک سیم پیچ اولیه با دورهای کمتر (که به صورت سری در مدار اصلی متصل می شوند) و یک سیم پیچ ثانویه با پیچ های بیشتر (متصل به کنتور برق) تشکیل شده است.
2. حالت ایده آل: در یک مدار بسته معمولی، CT تقریباً در حالت "مدار کوتاه-" کار می کند. با توجه به قانون مدار آمپر و قانون القای الکترومغناطیسی، جریان اولیه I1 یک شار مغناطیسی متناوب Φ در هسته آهنی ایجاد می کند، که سپس جریان I2 را در سمت ثانویه القا می کند. رابطه این دو به شرح زیر است:
که در آن N1 و N2 تعداد دورهای سیم پیچ اولیه و ثانویه است و Im جریان تحریک است. با توجه به امپدانس تحریک بسیار بزرگ و Im بسیار کوچک در طراحی، می توان آن را در شرایط ایده آل به موارد زیر ساده کرد:
در اینجا، Kn به نسبت تبدیل نامی مانند 1000/5A اشاره دارد. در این مورد، جریان بزرگ در سمت اولیه دقیقاً و به طور متناسب به جریان کوچک در سمت ثانویه (معمولاً مقدار استاندارد 5A یا 1A) برای اندازهگیری ایمن ابزار تبدیل میشود. به طور همزمان، پتانسیل مدار ثانویه ترانسفورماتور جریان (CT) بسیار کم است (معمولاً فقط چند ولت)، در محدوده ایمن.
تجزیه و تحلیل اصلی زمانی که سمت ثانویه باز است
هنگامی که مدار ثانویه به دلیل شل شدن پایانه ها، سیم های شکسته یا قطع تصادفی در حین آزمایش باز می شود، وضعیت عملکرد آن دستخوش تغییر فاجعه بار می شود.
| وضعیت عملیاتی | بسته شدن عادی | بازگشایی راه ثانویه |
|
|
متناسب با I1 وجود دارد |
|
|
Φ |
به طور موثر توسط شار مغناطیس زدایی تولید شده توسط I2 سرکوب می شود و سطح پایین را حفظ می کند. | از دست دادن مهار، اشباع سریع تا مقادیر بسیار بالا |
|
|
خیلی کم (چند ولت) | ولتاژ بالای هزاران یا حتی ده ها هزار ولت القا شد. |
| طبیعت فیزیکی | اتصال قوی، بازخورد منفی عمیق: I2 به شدت در برابر تغییرات Φ مقاومت می کند | قطع بازخورد و انباشت انرژی: همه پیچهای I1 و N1 آمپر اولیه برای تحریک استفاده میشوند. |
فرآیندهای فیزیکی اصلی آن به شرح زیر است:
1: ناپدید شدن بازخوردهای مغناطیسی زدایی
در طول عملیات عادی، شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان ثانویه I2 همیشه در جهت مخالف شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان اولیه I1 است، و یک اثر مغناطیسی زدایی قوی ایجاد می کند که شار مغناطیسی ترکیبی در هسته آهنی را به سطح پایین محدود می کند. پس از باز شدن مدار، I2=0 و اثر مغناطیس زدایی فوراً به صفر برمی گردد.
2: اشباع سریع شار مغناطیسی
چرخشهای آمپر اولیه نامتعادل -I1 و N1 کاملاً به پیچهای آمپر مغناطیسی- تبدیل میشوند. از آنجایی که سطح مقطع{5}} هسته برای چگالی شار مغناطیسی کم طراحی شده است، هسته به سرعت در این نقطه وارد حالت اشباع عمیق می شود.
طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، شار مغناطیسی متناوب باعث القای نیروی الکتروموتور در سراسر سیم پیچ می شود. هنگامی که شار مغناطیسی به شدت افزایش می یابد، یک ولتاژ بسیار بالا U2 در سراسر سیم پیچ ثانویه القا می شود.
3: تولید فشار بالا
در شرایط فرکانس توان، برای جریان اولیه چند صد آمپر، ولتاژ القایی در سمت ثانویه مدار باز-به راحتی میتواند به چندین هزار ولت برسد و در موارد شدید میتواند از 10 کیلو ولت تجاوز کند.
استاندارد ملی GB/T 20840.2-2014 "ترانسفورماتورهای ابزار - قسمت 2: الزامات فنی تکمیلی برای ترانسفورماتورهای جریان" الزامات سختگیرانه ای برای عملکرد عایق ترانسفورماتورهای ابزار دارد و این ولتاژ بالا ناگهانی بسیار از ظرفیت طراحی معمولی آن فراتر رفته است.
خطرات مدار باز در سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان
ولتاژ بالا و پدیده های همراه ایجاد شده توسط یک مدار باز ثانویه می تواند باعث ایجاد یک سری واکنش های زنجیره ای از خطرات شود.
1. خطر برق گرفتگی: هزاران ولت ولتاژ بالا در پایانه های ثانویه وجود دارد که مستقیماً خطر جدی برق گرفتگی را به همراه دارد. پرسنل تعمیر و نگهداری و تعمیراتی که بدون رعایت احتیاط با این ولتاژ تماس پیدا می کنند ممکن است دچار برق گرفتگی شوند.
2. آسیب به تجهیزات:
خرابی عایق: ولتاژ بالا ابتدا عایق بین-چرخش و بین- سیم پیچ ثانویه را می شکند یا عایق را به زمین در مدار ثانویه می شکند و منجر به آسیب دائمی ترانسفورماتور جریان (CT) می شود.
گرمای بیش از حد و فرسودگی: وقتی هسته آهنی به شدت اشباع شود، جریان های گردابی و تلفات هیسترزیس زیادی ایجاد می کند و باعث گرم شدن بیش از حد هسته آهنی می شود که ممکن است عایق سیم پیچ را بسوزاند و حتی باعث آتش سوزی شود.
قوس الکتریکی و انفجار: نقاط مدار باز (مانند پایانه های شل) یک قوس الکتریکی پیوسته تحت ولتاژ بالا ایجاد می کنند. دمای بالای قوس ممکن است تجهیزات را بسوزاند، مواد احتراق اطراف را مشتعل کند و گازهای با دمای بالا جمع شده در کابینت مهر و موم شده حتی ممکن است باعث انفجار الکتریکی شود.
3. خطرات عملیات سیستم
عدم دقت اندازهگیری و خرابی: برای کنتورهای انرژی نوع CT، یک جریان ورودی صفر باعث میشود که آنها نتوانند برق را اندازهگیری کنند، و در نتیجه برق از دست رفته و اختلافات احتمالی حل و فصل تجاری ایجاد میشود.
ایجاد جرقه های خطرناک-ولتاژ بالا: این نه تنها یک منبع احتراق است، بلکه پالس های الکترومغناطیسی قوی ناشی از آن می تواند با تجهیزات الکترونیکی مجاور نیز تداخل ایجاد کند.
خلاصه کنید
یک مدار باز در سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان باعث تجمع شدید انرژی الکترومغناطیسی می شود که در نهایت منجر به یک فاجعه فیزیکی می شود که به صورت ولتاژ بالا، قوس الکتریکی قوی و گرمای بیش از حد ظاهر می شود. بنابراین، در تمام کارهای مربوط به مدارهای CT، "پیشگیری از مدار باز" باید به عنوان یک روش کاملاً رعایت شود.
ضمناً سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان متصل به کنتور برق باید به زمین متصل شود. این، همراه با "ممنوعیت اکیدا مدارهای باز در سمت ثانویه"، دو قانون اصلی کارکرد و نگهداری CT هستند. پس از اتصال به زمین، ولتاژ بالایی که افزایش یافته می تواند به سرعت از طریق سیم اتصال به زمین تخلیه شود و از فرسودگی تجهیزات یا حوادث برق گرفتگی ناشی از افزایش ناگهانی پتانسیل جانبی ثانویه جلوگیری شود.