Võimsuse mõõtmis- ja seiresüsteemides on väliseid voolutrafosid (CT) vajavaid elektriarvestiid kõikjal; need on meie "silmad" massiivsete voolude täpseks tajumiseks. Kuid selles keerukas süsteemis on peidus raudne reegel, mida tuleb alati järgida: voolutrafo sekundaarset külge ei tohi kunagi kasutada avatud vooluahelaga. Selles artiklis käsitletakse aluspõhimõtteid ja sellega kaasnevaid ohte.
Voolutrafo normaalne tööpõhimõte
CT (voolutrafo) on eritüüpi trafo, mis töötab elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Selle peamised disainipõhimõtted on "voolu vähendamine" ja "isolatsioon".
1. Struktuur: koosneb tavaliselt suletud raudsüdamikust, vähemate pööretega primaarmähisest (peaahelas järjestikku ühendatud) ja rohkemate keerdudega sekundaarmähisest (ühendatud elektriarvestiga).
2. Ideaalne olek: tavalises suletud vooluringis töötab CT ligikaudu "lühis{1}}olekus". Vastavalt Ampere'i vooluringiseadusele ja elektromagnetilise induktsiooni seadusele tekitab primaarvool I1 raudsüdamikus vahelduva magnetvoo Φ, mis seejärel indutseerib sekundaarsel poolel voolu I2. Nende kahe suhe on järgmine:
Kus N1 ja N2 on pöörete arv primaar- ja sekundaarmähises ning Im on ergutusvool. Tänu väga suurele ergastustakistusele ja konstruktsioonis väga väikesele Im-ile saab seda ideaalsetes tingimustes lihtsustada järgmiselt:
Siin viitab Kn nominaalsele teisendussuhtele, näiteks 1000/5A. Sellisel juhul muundatakse primaarpoolne suur vool täpselt ja proportsionaalselt väikeseks vooluks sekundaarküljel (tavaliselt standardväärtus 5A või 1A), et mõõta instrumenti ohutult. Samal ajal on voolutrafo (CT) sekundaarahela potentsiaal väga madal (tavaliselt vaid paar volti), ohutus vahemikus.
Põhimõtteline analüüs, kui sekundaarne külg on avatud
Kui sekundaarahel avaneb lahtiste klemmide, purunenud juhtmete või katse ajal juhusliku lahtiühendamise tõttu, muutub selle tööseisund katastroofiliselt.
| Tööseisund | Tavaline sulgemine | Teisese tee avamine |
|
|
Olemas, võrdeline I1-ga |
|
|
Φ |
Tõhusalt summutatud I2 tekitatud demagnetiseeriva vooga, säilitades madala taseme | Inhibeerimise kaotus, kiire küllastumine ülikõrgete väärtusteni |
|
|
Väga madal (mitu volti) | Indutseeriti tuhandete või isegi kümnete tuhandete voltide kõrgepinge. |
| Füüsiline olemus | Tugev side, sügav negatiivne tagasiside: I2 peab tugevalt vastu Φ muutustele | Tagasiside katkestus ja energia akumuleerumine: ergastamiseks kasutatakse kõiki primaarampri{0}}pöördeid I1 ja N1. |
Selle peamised füüsikalised protsessid on järgmised:
1: Demagnetiseeriva tagasiside kadumine
Tavalise töötamise ajal on sekundaarvoolu I2 tekitatud magnetvoog alati primaarvoolu I1 tekitatava magnetvooga vastupidises suunas, tekitades tugeva "demagnetiseeriva" efekti, mis piirab raudsüdamiku kombineeritud magnetvoo madalale tasemele. Pärast vooluringi avamist I2=0 ja demagnetiseeriv efekt taastub koheselt nullini.
2: magnetvoo kiire küllastumine
Tasakaalustamata primaarsed ampri{0}}pöörded I1 ja N1 muudetakse täielikult magnetiseerivateks ampri-pööreteks. Kuna südamiku ristlõikepindala on kavandatud madala magnetvoo tiheduse jaoks, siseneb südamik selles punktis kiiresti sügavale küllastusolekusse.
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt indutseerib vahelduv magnetvoog üle mähise elektromotoorjõu. Kui magnetvoog järsult suureneb, indutseeritakse sekundaarmähises ülikõrge pinge U2.
3: kõrge rõhu tekitamine
Toitesageduse tingimustes võib mitmesajaamprise primaarvoolu korral indutseeritud pinge avatud-ahela sekundaarküljel kergesti ulatuda mitme tuhande voltini ja äärmuslikel juhtudel ületada 10 kilovolti.
Riiklik standard GB/T 20840.2-2014 „Instrumenditrafod – 2. osa: Täiendavad tehnilised nõuded voolutrafodele” sisaldab rangeid nõudeid instrumenditrafode isolatsioonitõhususele ja see äkiline kõrgepinge ületas tunduvalt selle tavapärase projekteerimisvõimsuse.
Voolutrafo sekundaarkülje avatud vooluahela ohud
Sekundaarse avatud vooluahela tekitatud kõrgepinge ja sellega kaasnevad nähtused võivad vallandada mitmeid ohtude ahelreaktsioone.
1. Elektrilöögi oht: sekundaarklemmides on tuhandeid volte kõrgepinge, mis kujutab endast tõsist elektrilöögi ohtu. Hooldus- ja remonditöötajad, kes selle pingega ilma ettevaatusabinõudeta kokku puutuvad, võivad saada elektrilöögi.
2. Seadme kahjustused:
Isolatsiooni purunemine: kõrge pinge lõhub esmalt sekundaarmähise-pöörete ja-kihtidevahelise isolatsiooni või purustab isolatsiooni maanduseni sekundaarahelas, mis põhjustab voolutrafo (CT) püsivaid kahjustusi.
Ülekuumenemine ja läbipõlemine: kui raudsüdamik on väga küllastunud, tekitab see tohutuid pöörisvoolusid ja hüstereesikadusid, mis põhjustab raudsüdamiku ülekuumenemist, mis võib mähise isolatsiooni läbi põletada ja isegi põhjustada tulekahju.
Elektrikaar ja plahvatus: avatud vooluringi punktid (nt lahtised klemmid) tekitavad kõrge pinge all pideva elektrikaare. Kaare kõrge temperatuur võib seadmeid läbi põletada, ümbritsevad põlevmaterjalid süttida ja suletud korpusesse kogunenud kõrgel temperatuuril{1}}eeruvad gaasid võivad isegi põhjustada elektriplahvatuse.
3. Süsteemi tööga seotud ohud
Mõõtmise ebatäpsus ja tõrke: CT{0}}-tüüpi energiaarvestite puhul ei saa null sisendvoolu korral elektrit mõõta, mille tulemuseks on elektrikatkestus ja võimalikud kaubandusvaidlused.
Ohtlike kõrgepinge{0}}sädemete teke: see ei ole mitte ainult süüteallikas, vaid sellest tulenevad tugevad elektromagnetilised impulsid võivad häirida ka läheduses asuvaid elektroonikaseadmeid.
Tehke kokkuvõte
Voolutrafo sekundaarkülje avatud vooluahel käivitab elektromagnetilise energia vägivaldse akumuleerumise, mille tulemuseks on füüsiline katastroof, mis väljendub kõrgepinge, tugeva elektrikaare ja ülekuumenemisena. Seetõttu tuleb kõigis CT-ahelatega seotud töödes rangelt järgida "avatud ahela vältimist".
Vahepeal peab elektriarvestiga ühendatud voolutrafo sekundaarkülg olema maandatud. See koos "sekundaarkülje avatud vooluahelate range keelamisega" on CT töö ja hoolduse kaks peamist kindlat reeglit. Pärast maandust saab sisse tõusnud kõrgepinge kiiresti maandusjuhtme kaudu maapinnale maha laadida, vältides seadmete läbipõlemist või elektrilöögiga seotud õnnetusi, mis on põhjustatud sekundaarse külgpotentsiaali järsust tõusust.