Tehonmittaus- ja valvontajärjestelmissä ulkoisia virtamuuntajia (CT) vaativia energiamittareita on kaikkialla; ne ovat "silmämme" suurten virtojen tarkkaan havaitsemiseen. Tässä hienostuneessa järjestelmässä on kuitenkin tärkeä sääntö, jota on aina noudatettava: virtamuuntajan toisiopuolta ei saa koskaan käyttää avoimessa-piiritilassa. Tässä artikkelissa perehdytään tämän säännön taustalla oleviin periaatteisiin ja vaaroihin.
Virtamuuntajan normaali toimintaperiaate
Virtamuuntaja (CT) on erityinen muuntaja, joka toimii sähkömagneettisen induktion periaatteella. Sen ydinsuunnittelu keskittyy "virran vähentämiseen" ja "eristykseen".
1. Rakenne: Se koostuu tyypillisesti suljetusta rautasydämestä, ensiökäämistä, jossa on vähemmän kierroksia (kytketty sarjaan pääpiirin kanssa), ja toisiokäämistä, jossa on enemmän kierroksia (kytkettynä energiamittariin).
2. Ihanteellinen tila: Normaalisti suljetussa piirissä CT toimii suunnilleen "oikosulkutilassa". Amperen piirilain ja sähkömagneettisen induktion lain mukaan ensiövirta I1 kehittää rautasydämeen vaihtomagneettivuon Φ, joka puolestaan indusoi virran I2 toisiopuolelle. Niiden välinen suhde on:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
missä N1 ja N2 ovat ensiö- ja toisiokäämien kierrosten lukumäärä ja Im on viritysvirta. Suunnittelun suuren viritysimpedanssin vuoksi Im on hyvin pieni, joten ihannetapauksessa se voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:
Tässä Kn on nimellinen muunnossuhde, esimerkiksi 1000/5A. Tällä hetkellä ensiöpuolen suuri virta muunnetaan tarkasti ja suhteellisesti toisiopuolen pieneksi virraksi (yleensä standardiarvo 5A tai 1A) laitteen turvallista mittausta varten. Samaan aikaan CT:n toisiopiirin potentiaali on hyvin pieni (yleensä vain muutama voltti), mikä on turvallisella alueella.
Periaateanalyysi, kun toissijainen puoli on auki{0}}kytketty
Kun toisiopiiri aukeaa löystyneiden liitinten, katkenneiden johtojen tai vahingossa tapahtuvan irtiyhteyden vuoksi testauksen aikana, sen toimintatila muuttuu katastrofaalisesti.
| Käyttökunto | Normaalisti suljettu | Toissijainen avoin piiri |
|---|---|---|
| Toissijainen virta I₂ |
Nykyinen, verrannollinen I1:ään | I₂ = 0 |
| Ydinmagneettivuo Φ |
I2:n tuottama demagnetoiva vuo tukahduttaa tehokkaasti ydinvuon pitäen alhaisena | Tukahdutus on menetetty; flux kyllästyy nopeasti erittäin korkealle tasolle |
| Toissijainen jännite U₂ |
Erittäin alhainen (muutama voltti) | Indusoitu korkea jännite useista kilovolteista kymmeniin kilovoltteihin |
| Fyysinen luonto | Vahva kytkentä, syvä negatiivinen palaute: I₂ vastustaa voimakkaasti Φ:n muutoksia | Palaute keskeytynyt, energian kerääntyminen: kaikkia primääriampeeri-kierroksia (I₁N₁) käytetään magnetointiin |
Fyysiset ydinprosessit ovat seuraavat👇:
1. Demagnetisoivan palautteen katoaminen:Normaalin toiminnan aikana toisiovirran I2 synnyttämä magneettivuo on aina vastakkainen ensiövirran I1 synnyttämän magneettivuon suuntaan, mikä luo vahvan "demagnetoivan" vaikutuksen, joka rajoittaa tuloksena olevan magneettivuon rautasydämessä alhaiselle tasolle. Kun piiri on avattu, I2=0, ja demagnetoiva vaikutus putoaa välittömästi nollaan.
2. Magneettivuon nopea kyllästyminen:Epätasapainoiset ensisijaiset ampeeri{0}}käännökset I1N1 muunnetaan kokonaan jännittäviksi ampeeri-kierroksiksi. Koska rautasydämen poikkileikkauspinta-ala on suunniteltu alhaiselle magneettivuon tiheydelle, rautasydän siirtyy nopeasti syvään kyllästymiseen.
Faradayn sähkömagneettisen induktion lain mukaan vaihtuva magneettivuo indusoi sähkömotorisen voiman käämien poikki. Magneettivuon nopean kasvun myötä toisiokäämin yli indusoituu erittäin korkea jännite U2.
3. Korkean jännitteen tuottaminen:Tehotaajuusolosuhteissa useiden satojen ampeerien ensiövirralla avoimen-kytketyn toisiopuolen indusoitunut jännite voi helposti saavuttaa useita tuhansia voltteja, ja äärimmäisissä tapauksissa se voi ylittää 10 kilovolttia.
Avoimen piirin vaarat virtamuuntajan toisiopuolella.
Toissijaisen avoimen{0}}piirin aiheuttama korkea jännite ja siihen liittyvät ilmiöt voivat laukaista sarjan ketjureaktiovaaroja.
1. Sähköiskun vaara henkilöstölle
Toisiojohdon liittimissä on tuhansia voltteja korkea jännite, mikä aiheuttaa suoraan vakavan sähköiskuvaaran. Huolto- ja tarkastushenkilöstö voi saada sähköiskun, jos he vahingossa koskettavat näitä liittimiä ilman asianmukaista suojausta.
2. Laitevauriot
● Eristyksen rikkoutuminen: Korkea jännite päihittää ensin toisiokäämin kierrosten välisen, kerrosten välisen eristeen tai toisiopiirin ja maan välisen eristyksen, mikä johtaa CT:n pysyvään vaurioitumiseen.
● Ylikuumeneminen ja palaminen: Kun sydän on erittäin kyllästynyt, se tuottaa valtavia pyörrevirta- ja hystereesihäviöitä, mikä aiheuttaa ytimen ylikuumenemisen. Tämä voi polttaa käämin eristyksen ja jopa laukaista tulipalon.
● Valokaari ja räjähdys: Avoimet-piirikohdat (kuten löysät liittimet) synnyttävät pitkiä kaaria korkeajännitteellä. Kaarien korkea lämpötila voi vaurioittaa laitteita, sytyttää ympäröivät palavat materiaalit, ja suljetuissa kaapeissa kertynyt korkean lämpötilan{2}}kaasu voi jopa aiheuttaa sähköräjähdyksen.
3. Järjestelmän toimintaan kohdistuvat vaarat
Mittaushäviö ja epäonnistuminen: CT--tyyppisissä sähkömittareissa tulovirrasta tulee nolla, jolloin ne eivät pysty mittaamaan sähköä. Tämä johtaa mitatun sähkön katoamiseen ja voi aiheuttaa kiistoja kauppasopimuksista.
Vaaralliset korkeajännitteiset{0}}kipinät: Ne eivät toimi vain sytytyslähteenä, vaan niiden tuottamat voimakkaat sähkömagneettiset pulssit voivat myös häiritä lähellä olevia elektronisia laitteita.
Johtopäätös
Virtamuuntajan (CT) toisiopuolen avoin piiri laukaisee sähkömagneettisen energian voimakkaan kertymisen, joka lopulta vapautuu korkean jännitteen, voimakkaiden valokaarien ja ylikuumenemisen muodossa – fyysinen katastrofaalinen prosessi. Siksi kaikissa CT-piireihin liittyvissä töissä "avoimien piirien estämistä" on noudatettava tarkasti.
Samanaikaisesti energiamittariin kytketyn virtamuuntajan toisiopuoli on maadoitettava. Tämä yhdessä "toisiopuolen avointen piirien jyrkän kieltämisen" kanssa ovat kaksi ydinsääntöä CT:n toiminnalle ja huollolle. Maadoitus mahdollistaa korkean jännitteen nopean purkamisen maahan maadoitusjohdon kautta, mikä estää toisiopuolen potentiaalin äkillisen kasvun, joka voi aiheuttaa laitevaurioita tai sähköiskuonnettomuuksia.