Tehonmittaus- ja valvontajärjestelmissä ulkoisia virtamuuntajia (CT) vaativia sähkömittareita on kaikkialla; ne ovat "silmämme" massiivisten virtausten tarkkaan tunnistamiseen. Tässä hienostuneessa järjestelmässä piilee kuitenkin rautainen sääntö, jota on noudatettava aina: virtamuuntajan toisiopuolta ei saa koskaan käyttää avoimella piirillä. Tässä artikkelissa perehdytään taustalla oleviin periaatteisiin ja niihin liittyviin vaaroihin.
Virtamuuntajan normaali toimintaperiaate
CT (Current Transformer) on erityinen muuntaja, joka toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella. Sen suunnittelun ydinperiaatteet ovat "virran vähentäminen" ja "eristäminen".
1. Rakenne: Se koostuu tyypillisesti suljetusta rautasydämestä, ensiökäämistä, jossa on vähemmän kierroksia (kytketty sarjaan pääpiirissä) ja toisiokäämistä, jossa on enemmän kierroksia (kytkettynä sähkömittariin).
2. Ihanteellinen tila: Normaalissa suljetussa piirissä CT toimii suunnilleen "oikosulkutilassa". Amperen piirilain ja sähkömagneettisen induktion lain mukaan primäärivirta I1 tuottaa vaihtuvan magneettivuon Φ rautasydämeen, joka sitten indusoi virran I2 toisiopuolelle. Näiden kahden välinen suhde on seuraava:
Missä N1 ja N2 ovat ensiö- ja toisiokäämien kierrosten lukumäärä ja Im on viritysvirta. Erittäin suuren viritysimpedanssin ja suunnittelun äärimmäisen pienen Im:n ansiosta se voidaan yksinkertaistaa seuraaviin ihanteellisissa olosuhteissa:
Tässä Kn viittaa nimelliseen muunnossuhteeseen, kuten 1000/5A. Tässä tapauksessa ensiöpuolen suuri virta muunnetaan tarkasti ja suhteellisesti toisiopuolen pieneksi virraksi (tyypillisesti standardiarvo 5A tai 1A) laitteen turvallista mittausta varten. Samanaikaisesti virtamuuntajan (CT) toisiopiirin potentiaali on erittäin alhainen (yleensä vain muutama voltti), turvallisella alueella.
Periaateanalyysi, kun toissijainen puoli on auki
Kun toisiopiiri avautuu löystyneiden liittimien, katkenneiden johtojen tai vahingossa tapahtuneen irrotuksen vuoksi testauksen aikana, sen toimintatila muuttuu katastrofaalisesti.
| Toimintatila | Normaali sulkeminen | Toissijainen tien avaaminen |
|
|
Olemassa, verrannollinen I1:een |
|
|
Φ |
Tukahduttaa tehokkaasti I2:n tuottaman demagnetoivan vuon pitäen matalan tason | Eston menetys, nopea kyllästyminen erittäin korkeisiin arvoihin |
|
|
Erittäin alhainen (useita voltteja) | Indusoitui tuhansien tai jopa kymmenien tuhansien volttien korkea jännite. |
| Fyysinen luonne | Vahva kytkentä, syvä negatiivinen takaisinkytkentä: I2 vastustaa voimakkaasti Φ:n muutoksia | Palautteen katkaisu ja energian kerääntyminen: Kaikkia primääriampeeri{0}}kierroksia I1 ja N1 käytetään viritteeseen. |
Sen fyysiset ydinprosessit ovat seuraavat:
1: Demagnetoivan palautteen katoaminen
Normaalin toiminnan aikana toisiovirran I2 tuottama magneettivuo on aina päinvastainen kuin ensiövirran I1 synnyttämä magneettivuo, mikä luo vahvan "demagnetoivan" vaikutuksen, joka rajoittaa yhdistetyn magneettivuon rautasydämessä matalalle tasolle. Kun piiri on avattu, I2=0, ja demagnetoiva vaikutus palautuu välittömästi nollaan.
2: Magneettivuon nopea kyllästyminen
Epätasapainoiset ensisijaiset ampeeri{0}}käännökset I1 ja N1 muunnetaan kokonaan magnetoivien ampeeri-kierroksiksi. Koska ytimen poikkileikkauspinta-ala on suunniteltu alhaiselle magneettivuon tiheydelle, sydän siirtyy nopeasti syvään kyllästymistilaan tässä vaiheessa.
Faradayn sähkömagneettisen induktion lain mukaan vaihtuva magneettivuo indusoi sähkömotorisen voiman käämin poikki. Kun magneettivuo kasvaa jyrkästi, erittäin korkea jännite U2 indusoituu toisiokäämin yli.
3: Korkean paineen syntyminen
Tehotaajuusolosuhteissa useiden satojen ampeerien ensiövirralla avoimen-piirin toisiopuolen indusoitunut jännite voi helposti saavuttaa useita tuhansia voltteja, ja äärimmäisissä tapauksissa se voi ylittää 10 kilovolttia.
Kansallisessa standardissa GB/T 20840.2-2014 "Instrument Transformers – Osa 2: Virtamuuntajien tekniset lisävaatimukset" on tiukat vaatimukset instrumenttimuuntajien eristyskyvylle, ja tämä äkillinen korkea jännite ylitti huomattavasti sen normaalin suunnittelukapasiteetin.
Avoimen piirin vaarat virtamuuntajan toisiopuolella
Toissijaisen avoimen piirin synnyttämä korkea jännite ja siihen liittyvät ilmiöt voivat laukaista sarjan vaarojen ketjureaktioita.
1. Sähköiskun vaara: Toisioliittimissä on tuhansia voltteja korkea jännite, mikä aiheuttaa suoraan vakavan sähköiskun vaaran. Huolto- ja korjaushenkilöstö, joka joutuu kosketuksiin tämän jännitteen kanssa ilman varotoimia, voi saada sähköiskun.
2. Laitevauriot:
Eristyksen rikkoutuminen: Korkea jännite rikkoo ensin toisiokäämin -käännös- ja kerrosten välisen
Ylikuumeneminen ja palaminen: Kun rautasydän on erittäin kyllästynyt, se tuottaa valtavia pyörrevirtoja ja hystereesihäviöitä, mikä aiheuttaa rautasydämen ylikuumenemisen, mikä voi polttaa käämin eristyksen ja jopa aiheuttaa tulipalon.
Sähkökaari ja räjähdys: Avoimet piirikohdat (kuten löysät liittimet) synnyttävät jatkuvan sähkökaaren korkealla jännitteellä. Kaaren korkea lämpötila voi polttaa laitteet, sytyttää ympäröivät palavat aineet, ja suljettuun kaappiin kertyneet korkean lämpötilan{1}}kaasut voivat jopa aiheuttaa sähköräjähdyksen.
3. Järjestelmän toiminnan vaarat
Mittauksen epätarkkuus ja epäonnistuminen: CT--tyyppisissä energiamittareissa nollatulovirta estää niitä mittaamaan sähköä, mikä johtaa sähkön menettämiseen ja mahdollisiin kauppakiistaan.
Vaarallisten korkeajännitteisten{0}}kipinöiden syntyminen: Tämä ei ole vain sytytyslähde, vaan siitä aiheutuvat voimakkaat sähkömagneettiset pulssit voivat myös häiritä lähellä olevia elektronisia laitteita.
Tee yhteenveto
Avoin virtapiiri virtamuuntajan toisiopuolella laukaisee sähkömagneettisen energian voimakkaan kertymisen, mikä johtaa lopulta fyysiseen katastrofiin, joka ilmenee korkeana jännitteenä, voimakkaina sähkökaareina ja ylikuumenemisena. Siksi kaikissa CT-piirejä koskevissa töissä "avoin piirin estämistä" on noudatettava tiukasti menettelynä.
Sillä välin sähkömittariin kytketyn virtamuuntajan toisiopuoli on maadoitettava. Tämä yhdessä "toisiopuolen avointen piirien jyrkän kieltämisen" kanssa ovat kaksi CT-toiminnan ja -huollon perussääntöä. Maadoituksen jälkeen aaltoileva korkea jännite voidaan nopeasti purkaa maahan maadoitusjohtimen kautta, jolloin vältetään laitteiden palaminen tai sähköiskuonnettomuudet, jotka johtuvat äkillisen toisiopuolen potentiaalin noususta.