I strømmålings- og overvågningssystemer er elmålere, der kræver eksterne strømtransformatorer (CT'er), allestedsnærværende; de er vores "øjne" til nøjagtigt at registrere massive strømme. Men gemt i dette sofistikerede system er en jernbeklædt regel, som skal følges til enhver tid: den sekundære side af strømtransformatoren må aldrig betjenes med et åbent kredsløb. Denne artikel vil dykke ned i de underliggende principper og de involverede farer.
Normalt driftsprincip for strømtransformer
En CT (Current Transformer) er en speciel type transformer, der fungerer baseret på princippet om elektromagnetisk induktion. Dens kernedesignprincipper er "strømreduktion" og "isolation."
1. Struktur: Den består typisk af en lukket jernkerne, en primærvikling med færre vindinger (seriekoblet i hovedkredsløbet), og en sekundærvikling med flere vindinger (forbundet til elmåleren).
2. Ideel tilstand: I et normalt lukket kredsløb fungerer CT i en tilnærmelsesvis "kortslutningstilstand". Ifølge Amperes kredsløbslov og loven om elektromagnetisk induktion vil primærstrømmen I1 generere en vekslende magnetisk flux Φ i jernkernen, som så vil inducere en strøm I2 på sekundærsiden. Forholdet mellem de to er som følger:
Hvor N1 og N2 er antallet af vindinger i de primære og sekundære viklinger, og Im er excitationsstrømmen. På grund af den meget store excitationsimpedans og ekstremt lille Im i designet, kan den forenkles til følgende under ideelle forhold:
Her refererer Kn til det nominelle transformationsforhold, såsom 1000/5A. I dette tilfælde konverteres den store strøm på primærsiden præcist og proportionalt til en lille strøm på sekundærsiden (typisk en standardværdi på 5A eller 1A) for sikker instrumentmåling. Samtidig er det sekundære kredsløbspotentiale for strømtransformatoren (CT) meget lavt (normalt kun nogle få volt) inden for et sikkert område.
Principanalyse når sekundærsiden er åben
Når det sekundære kredsløb bliver åbent på grund af løse terminaler, knækkede ledninger eller utilsigtet afbrydelse under test, gennemgår dets driftstilstand en katastrofal ændring.
| Driftsstatus | Normal lukning | Sekundær vejåbning |
|
|
Eksisterer, proportionalt med I1 |
|
|
Φ |
Effektivt undertrykt af den afmagnetiserende flux genereret af I2, og opretholder et lavt niveau | Tab af hæmning, hurtig mætning til ekstremt høje værdier |
|
|
Meget lav (adskillige volt) | Højspænding på tusinder eller endda titusinder af volt blev induceret. |
| Fysisk natur | Stærk kobling, dyb negativ feedback: I2 modstår kraftigt ændringer i Φ | Feedback cutoff og energiakkumulering: Alle primære ampere-drejninger I1 og N1 bruges til excitation. |
Dens kernefysiske processer er som følger:
1: Forsvinden af afmagnetiserende feedback
Under normal drift er den magnetiske flux, der genereres af den sekundære strøm I2, altid i modsat retning af den magnetiske flux, der genereres af den primære strøm I1, hvilket skaber en stærk "afmagnetiserende" effekt, der begrænser den kombinerede magnetiske flux i jernkernen til et lavt niveau. Efter kredsløbet er åbnet, I2=0, og afmagnetiseringseffekten vender øjeblikkeligt tilbage til nul.
2: Hurtig mætning af magnetisk flux
De ubalancerede primære ampere-drejninger I1 og N1 omdannes fuldstændigt til magnetiserende ampere-drejninger. Da kernens tværsnitsareal- er designet til lav magnetisk fluxtæthed, går kernen hurtigt ind i en dyb mætningstilstand på dette tidspunkt.
Ifølge Faradays lov om elektromagnetisk induktion vil vekslende magnetisk flux inducere en elektromotorisk kraft over viklingen. Når den magnetiske flux stiger kraftigt, vil en ekstrem høj spænding U2 blive induceret over sekundærviklingen.
3: Generering af højtryk
Under strømfrekvensforhold, for en primærstrøm på flere hundrede ampere, kan den inducerede spænding på den åbne-sekundære side let nå op på flere tusinde volt, og i ekstreme tilfælde kan den overstige 10 kilovolt.
Den nationale standard GB/T 20840.2-2014 "Instrument Transformers - Part 2: Supplementary Technical Requirements for Current Transformers" har strenge krav til instrumenttransformatorers isoleringsevne, og denne pludselige højspænding oversteg langt dens normale designkapacitet.
Farer ved åbent kredsløb på den sekundære side af strømtransformatoren
Den høje spænding og medfølgende fænomener genereret af et sekundært åbent kredsløb kan udløse en række kædereaktioner af farer.
1. Fare for elektrisk stød: Der findes tusinder af volt højspænding ved de sekundære terminaler, hvilket direkte udgør en alvorlig risiko for elektrisk stød. Vedligeholdelses- og reparationspersonale, der kommer i kontakt med denne spænding uden forholdsregler, kan få elektrisk stød.
2. Skader på udstyr:
Isolationsnedbrydning: Højspænding vil først nedbryde inter-drejningen og mellem-lagets isolering af sekundærviklingen eller nedbryde isolationen til jord i det sekundære kredsløb, hvilket fører til permanent skade på strømtransformatoren (CT).
Overophedning og udbrændthed: Når jernkernen er meget mættet, vil den generere enorme hvirvelstrømme og hysteresetab, hvilket får jernkernen til at overophedes, hvilket kan brænde viklingsisoleringen ud og endda forårsage brand.
Elektrisk lysbue og eksplosion: Åbne kredsløbspunkter (såsom løse terminaler) vil generere en kontinuerlig elektrisk lysbue under højspænding. Den høje temperatur i lysbuen kan brænde udstyr ud, antænde omgivende brændbare stoffer, og de høje-temperaturgasser, der samles i det forseglede kabinet, kan endda forårsage en elektrisk eksplosion.
3. Systemdriftsfarer
Målingsunøjagtighed og -fejl: For energimålere af typen CT- vil en nul-indgangsstrøm gøre dem ude af stand til at måle elektricitet, hvilket resulterer i tabt elektricitet og potentielle handelsforligstvister.
Generering af farlige højspændingsgnister: Dette er ikke kun en antændelseskilde, men de resulterende stærke elektromagnetiske impulser kan også interferere med elektronisk udstyr i nærheden.
Sammenfatte
Et åbent kredsløb på den sekundære side af en strømtransformator udløser en voldsom ophobning af elektromagnetisk energi, hvilket i sidste ende resulterer i en fysisk katastrofe, der manifesterer sig som højspænding, stærke elektriske lysbuer og overophedning. I alt arbejde, der involverer CT-kredsløb, skal "åbne kredsløbsforebyggelse" derfor nøje overholdes som en procedure.
I mellemtiden skal den sekundære side af strømtransformeren tilsluttet elmåleren være jordet. Dette, sammen med "strengt forbud mod åbne kredsløb på den sekundære side," er de to centrale jernbeklædte regler for CT-drift og vedligeholdelse. Efter jording kan den højspænding, der er steget ind, hurtigt aflades til jorden gennem jordledningen, hvilket undgår udstyrsudbrænding eller elektrisk stød forårsaget af en pludselig stigning i sekundærsidepotentialet.