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 ترانسفورماتورهای جریان
ترانسفورماتور جریان (CT) نوع خاصی از ترانسفورماتور است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند. اصول طراحی اصلی آن "کاهش جریان" و "ایزوله" است.
ساختار
معمولاً از یک هسته آهنی بسته، یک سیم پیچ اولیه با تعداد دور نسبتاً کمی (که به صورت سری در مدار اصلی متصل می شود) و یک سیم پیچ ثانویه با تعداد دور نسبتاً زیاد (متصل به کنتور برق) تشکیل شده است.
دولت ایده آل
در یک مدار بسته معمولی، CT تقریباً در حالت "مدار{0}}مدار کوتاه" عمل می کند. طبق قانون مدار آمپر و قانون القای الکترومغناطیسی، جریان اولیه I1 یک شار مغناطیسی متناوب Φ در هسته آهنی ایجاد می کند که به نوبه خود جریان I2 را در سمت ثانویه القا می کند. رابطه بین این دو عبارت است از:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
که در آن N1 و N2 تعداد دورهای سیم پیچ اولیه و ثانویه و Im جریان تحریک است. به دلیل امپدانس تحریک بزرگ در طراحی، Im بسیار کوچک است، بنابراین در حالت ایده آل، می توان آن را به صورت زیر ساده کرد:
I1 × N1 ≈ I2 × N2 یا I1/I2 ≈ N2/N1=Kₙ
در اینجا، Kn نسبت چرخش های دارای رتبه است، به عنوان مثال، 1000/5A. در این زمان، جریان بزرگ در سمت اولیه به طور دقیق متناسب به جریان کوچک در سمت ثانویه (معمولاً یک مقدار استاندارد 5A یا 1A) برای اندازهگیری ایمن توسط ابزارها تبدیل میشود. به طور همزمان، پتانسیل مدار ثانویه CT بسیار کم است (معمولاً فقط چند ولت)، در محدوده ایمن.
تحلیل اصولی مدار باز مدار ثانویه
هنگامی که مدار ثانویه به دلایلی مانند 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 کار | عادی بسته | مدار باز ثانویه |
|---|---|---|
| جریان ثانویه I2 | متناسب با I1 وجود دارد | I2=0 |
| شار مغناطیسی هسته Φ | به طور موثر توسط شار مغناطیس زدایی تولید شده توسط I2 سرکوب می شود، در سطح پایین حفظ می شود | سرکوب را از دست می دهد، به سرعت به مقدار بسیار بالایی اشباع می شود |
| ولتاژ ثانویه U2 | خیلی کم (چند ولت) | ولتاژ بالای هزاران تا حتی ده ها هزار ولت را القا می کند |
| جوهر فیزیکی | اتصال قوی، بازخورد منفی عمیق: I2 به شدت در برابر تغییر Φ مقاومت می کند | قطع بازخورد-، انباشت انرژی: تمام آمپر اولیه-پیچ های I1N1 برای تحریک استفاده می شود |
فرآیند فیزیکی اصلی به شرح زیر است:
ناپدید شدن بازخورد مغناطیسزدا
در طول عملیات عادی، شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان ثانویه I2 همیشه در جهت مخالف جریان تولید شده توسط جریان اولیه I1 است و یک اثر مغناطیسی زدایی قوی ایجاد می کند که شار مغناطیسی ترکیبی در هسته را به سطح پایین محدود می کند. پس از باز شدن مدار، I2=0 و اثر مغناطیس زدایی فوراً به صفر برمی گردد.
اشباع سریع شار مغناطیسی
آمپر اولیه -پیچ های I1 و N1، که اکنون مهار نشده اند، به طور کامل به پیچ های آمپر مغناطیسی تبدیل می شوند. از آنجایی که سطح مقطع هسته برای چگالی شار مغناطیسی کم طراحی شده است، هسته به سرعت 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 طور چشمگیری افزایش می یابد، یک ولتاژ بسیار بالا U2 در سراسر سیم پیچ ثانویه القا می شود.
تولید ولتاژ بالا
در شرایط فرکانس توان، برای جریان اولیه چند صد آمپر، ولتاژ القایی در سمت ثانویه مدار باز-میتواند به راحتی به چندین هزار ولت برسد و در موارد شدید، از 10 کیلو ولت تجاوز کند.
خطرات مدار باز در سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان
ولتاژ بالا و پدیده های همراه آن که توسط یک مدار باز در سمت ثانویه ایجاد می شود، می تواند یک سری واکنش های زنجیره ای از خطرات را ایجاد کند.
خطر برق گرفتگی
وجود هزاران ولت ولتاژ بالا در پایانه های ثانویه مستقیماً خطر جدی برق گرفتگی را ایجاد می کند. پرسنل تعمیر و نگهداری و تعمیراتی که بدون رعایت احتیاط با این ولتاژ تماس پیدا می کنند ممکن است دچار برق گرفتگی شوند.
آسیب 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: یک نقطه مدار باز (مانند یک ترمینال شل) یک قوس الکتریکی پیوسته تحت ولتاژ بالا ایجاد می کند. 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.
خطرات عملیاتی 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.
نتیجه گیری
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، "جلوگیری از مدارهای باز" باید به شدت در تمام کارهای مربوط به مدارهای CT رعایت شود.
به طور همزمان، 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. اتصال به زمین اجازه می دهد تا هرگونه نوسان ولتاژ بالا به سرعت از طریق سیم اتصال به زمین تخلیه شود و از افزایش ناگهانی پتانسیل ثانویه که می تواند منجر به فرسودگی تجهیزات یا حوادث شوک الکتریکی شود جلوگیری می کند.