در سیستمهای اندازهگیری و مانیتورینگ توان، کنتورهای انرژی که به ترانسفورماتورهای جریان خارجی (CTs) نیاز دارند، در همه جا وجود دارند. آنها "چشم" ما برای تشخیص دقیق جریان های بزرگ هستند. با این حال، در این سیستم پیچیده یک قانون اساسی نهفته است که همیشه باید رعایت شود: سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان هرگز نباید در شرایط مدار باز- کار کند. این مقاله به اصول و خطرات پشت این قانون می پردازد.
اصل کار عادی ترانسفورماتور جریان
ترانسفورماتور جریان (CT) نوع خاصی از ترانسفورماتور است که بر اساس اصل القای الکترومغناطیسی کار می کند. طراحی اصلی آن بر «کاهش جریان» و «انزوا» تمرکز دارد.
1. ساختار: معمولاً از یک هسته آهنی بسته، یک سیم پیچ اولیه با دورهای کمتر (به صورت سری به مدار اصلی متصل است) و یک سیم پیچ ثانویه با چرخش بیشتر (متصل به انرژی سنج) تشکیل شده است.
2. حالت ایده آل: در یک مدار بسته معمولی، CT تقریباً در حالت "مدار کوتاه-" کار 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 آنها این است:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
که در آن N1 و N2 تعداد دورهای سیم پیچ اولیه و ثانویه و Im جریان تحریک است. با توجه به امپدانس تحریک بزرگ در طراحی، Im بسیار کوچک است، بنابراین در حالت ایده آل، می توان آن را به صورت زیر ساده کرد:
در اینجا، Kn نسبت تبدیل نامی است، به عنوان مثال، 1000/5A. در این زمان، جریان بزرگ در سمت اولیه به طور دقیق و متناسب به جریان کوچکی در سمت ثانویه (معمولاً یک مقدار استاندارد 5A یا 1A) برای اندازهگیری ایمن توسط دستگاه تبدیل میشود. در عین حال، پتانسیل مدار ثانویه CT بسیار کم است (معمولاً فقط چند ولت) که در محدوده ایمن قرار دارد.
تجزیه و تحلیل اصلی هنگامی که طرف ثانویه باز است-در مدار قرار می گیرد
هنگامی که مدار ثانویه به دلیل شل شدن پایانه ها، سیم های شکسته یا قطع تصادفی در طول آزمایش باز می شود، وضعیت عملکرد آن دستخوش تغییر فاجعه بار می شود.
| شرایط عملیاتی | به طور معمول بسته است | مدار باز ثانویه |
|---|---|---|
| جریان ثانویه I₂ |
حال، متناسب با I1 | I₂ = 0 |
| شار مغناطیسی هسته Φ |
شار مغناطیس زدایی تولید شده توسط I2 به طور موثر شار هسته را سرکوب می کند و سطح پایینی را حفظ می کند. | سرکوب از بین رفته است. شار به سرعت به سطح بسیار بالایی اشباع می شود |
| ولتاژ ثانویه U₂ |
خیلی کم (چند ولت) | ولتاژ بالا القایی در محدوده چند کیلو ولت تا ده ها کیلو ولت |
| طبیعت فیزیکی | جفت شدن قوی، بازخورد منفی عمیق: I2 به شدت با تغییرات Φ مخالف است | بازخورد قطع شد، انباشت انرژی: همه پیچهای آمپر اولیه (I1N1) برای مغناطیسی استفاده میشوند |
فرآیندهای فیزیکی اصلی به شرح زیر است:
1. ناپدید شدن بازخورد مغناطیس زدایی:در طول عملیات عادی، شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان ثانویه I2 همیشه در جهت مخالف با شار مغناطیسی تولید شده توسط جریان اولیه I1 است و یک اثر مغناطیسی زدایی قوی ایجاد می کند که شار مغناطیسی حاصل را در هسته آهنی به سطح پایین محدود می کند. پس از باز شدن مدار، I2=0 و اثر مغناطیس زدایی فوراً به صفر می رسد.
2. اشباع سریع شار مغناطیسی:چرخشهای آمپر اولیه نامتعادل -I1N1 کاملاً به پیچهای آمپر- هیجانانگیز تبدیل میشوند. از آنجایی که سطح مقطع هسته آهنی برای چگالی شار مغناطیسی کم طراحی شده است، هسته آهنی به سرعت وارد حالت اشباع عمیق می شود.
طبق قانون القای الکترومغناطیسی فارادی، شار مغناطیسی متناوب باعث القای نیروی الکتروموتور در سراسر سیم پیچ ها می شود. با افزایش سریع شار مغناطیسی، یک U2 ولتاژ بسیار بالا در سراسر سیم پیچ ثانویه القا می شود.
3. تولید ولتاژ 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.
خطرات یک مدار باز در سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان.
ولتاژ بالا و پدیدههای مرتبط ناشی از یک مدار باز ثانویه-میتواند باعث ایجاد یک سری خطرات زنجیرهای-واکنش شود.
1. خطر برق گرفتگی برای پرسنل
هزاران ولت ولتاژ بالا در پایانه های سیم کشی ثانویه وجود دارد که مستقیماً خطر برق گرفتگی شدید ایجاد می کند. پرسنل تعمیر و نگهداری و بازرسی در صورت تماس تصادفی با این پایانهها بدون حفاظت مناسب ممکن است دچار برق گرفتگی شوند.
2. آسیب به تجهیزات
● خرابی عایق: ولتاژ بالا ابتدا عایق را بین پیچ های سیم پیچ ثانویه، بین لایه ها یا عایق بین مدار ثانویه و زمین سوراخ می کند و منجر به آسیب دائمی CT می شود.
● گرمای بیش از حد و سوختن: پس از اینکه هسته به شدت اشباع شد، جریان گردابی و تلفات هیسترزیس بسیار زیادی ایجاد می کند و باعث گرم شدن بیش از حد هسته می شود. این ممکن است عایق سیم پیچ را بسوزاند و حتی باعث آتش سوزی شود.
● قوس و انفجار: نقاط مدار باز-(مانند پایانه های شل) قوس های پایداری را تحت ولتاژ بالا ایجاد می کنند. دمای بالای قوسها میتواند به تجهیزات آسیب برساند، مواد قابل احتراق اطراف را مشتعل کند و گاز با دمای بالا جمعشده در کابینتهای بسته حتی ممکن است باعث انفجار الکتریکی شود.
3. خطرات برای عملکرد سیستم
تلفات و خرابی اندازهگیری: برای کنتورهای برق نوع CT، جریان ورودی صفر میشود و آنها را قادر به اندازهگیری برق نمیکند. این منجر به از دست دادن برق اندازهگیری شده میشود و ممکن است بر سر تسویهحسابهای تجاری اختلافاتی ایجاد کند.
جرقه های ولتاژ بالا{0}}خطرناک: این جرقه ها نه تنها به عنوان منبع احتراق عمل می کنند، بلکه پالس های الکترومغناطیسی شدیدی که تولید می کنند نیز می توانند با تجهیزات الکترونیکی مجاور تداخل ایجاد کنند.
نتیجه گیری
یک مدار باز در سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان (CT) باعث تجمع شدید انرژی الکترومغناطیسی می شود که در نهایت به شکل ولتاژ بالا، قوس های قوی و گرمای بیش از حد آزاد می شود - یک فرآیند فاجعه بار فیزیکی. بنابراین، در تمام کارهای مربوط به مدارهای CT، "جلوگیری از مدارهای باز" باید یک روش کاملاً دنبال شود.
در عین حال، سمت ثانویه ترانسفورماتور جریان متصل به کنتور انرژی باید به زمین متصل شود. این، همراه با "ممنوعیت اکیدا مدارهای باز در سمت ثانویه"، دو قانون اساسی برای عملکرد و نگهداری CT هستند. اتصال به زمین اجازه می دهد تا ولتاژ بالا به سرعت از طریق سیم اتصال به زمین تخلیه شود و از افزایش ناگهانی پتانسیل جانبی ثانویه که می تواند باعث آسیب تجهیزات یا حوادث شوک الکتریکی شود، جلوگیری می کند.