Võimsuse mõõtmis- ja seiresüsteemides on väliseid voolutrafosid (CT) vajavaid energiaarvestiid kõikjal; need on meie "silmad" suurte voolude täpseks tajumiseks. Selles keerukas süsteemis peitub aga ülioluline reegel, mida tuleb alati järgida: voolutrafo sekundaarkülge ei tohi kunagi kasutada avatud-vooluahelas. Selles artiklis käsitletakse selle reegli põhimõtteid ja ohte.
Voolutrafo tavaline tööpõhimõte
Voolutrafo (CT) on eritüüpi trafo, mis töötab elektromagnetilise induktsiooni põhimõttel. Selle põhiline disain keskendub "voolu vähendamisele" ja "isolatsioonile".
1. Struktuur: koosneb tavaliselt suletud raudsüdamikust, vähemate pööretega primaarmähisest (ühendatakse järjestikku põhiahelaga) ja sekundaarmähisest, millel on rohkem keerdu (ühendatud energiaarvestiga).
2. Ideaalne olek: normaalselt suletud vooluringis töötab CT ligikaudu "lühises{1}}". Vastavalt Ampere'i vooluringiseadusele ja elektromagnetilise induktsiooni seadusele tekitab primaarvool I1 raudsüdamikus vahelduva magnetvoo Φ, mis omakorda indutseerib sekundaarküljes voolu I2. Nendevaheline suhe on järgmine:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
kus N1 ja N2 on primaar- ja sekundaarmähiste keerdude arv ning Im on ergutusvool. Disaini suure ergastustakistuse tõttu on Im väga väike, nii et ideaaljuhul saab seda lihtsustada järgmiselt:
Siin on Kn nominaalne teisendussuhe, näiteks 1000/5A. Sel ajal muundatakse primaarpoolne suur vool täpselt ja proportsionaalselt sekundaarkülje väikeseks vooluks (tavaliselt standardväärtus 5A või 1A), et seade saaks mõõta ohutult. Samal ajal on CT sekundaarahela potentsiaal väga madal (tavaliselt vaid paar volti), mis jääb ohutusse vahemikku.
Põhimõtteline analüüs, kui sekundaarne pool on avatud{0}}lülitatud
Kui sekundaarahel avaneb lahtiste klemmide, purunenud juhtmete või katse ajal juhusliku lahtiühendamise tõttu, muutub selle tööseisund katastroofiliselt.
| Kasutusseisund | Tavaliselt suletud | Sekundaarne avatud vooluring |
|---|---|---|
| Sekundaarne vool I₂ |
Olevik, võrdeline I1-ga | I₂ = 0 |
| Südamiku magnetvoog Φ |
I₂ tekitatud demagnetiseeriv voog pärsib tõhusalt südamiku voogu, säilitades madala taseme | Supressioon on kadunud; voog küllastub kiiresti ülikõrgele tasemele |
| Sekundaarne pinge U₂ |
Väga madal (paar volti) | Indutseeritud kõrgepinge vahemikus mitmest kilovoldist kuni kümnete kilovoltideni |
| Füüsiline olemus | Tugev side, sügav negatiivne tagasiside: I₂ on tugevalt vastu Φ muutustele | Tagasiside katkes, energia akumuleerumine: magnetiseerimiseks kasutatakse kõiki primaarseid ampri-pöördeid (I₁N₁) |
Põhilised füüsikalised protsessid on järgmised👇:
1. Demagnetiseeriva tagasiside kadumine:Tavalise töötamise ajal on sekundaarvoolu I2 tekitatud magnetvoog alati primaarvoolu I1 tekitatava magnetvooga vastupidises suunas, luues tugeva "demagnetiseeriva" efekti, mis piirab raudsüdamikus tekkiva magnetvoo madalale tasemele. Pärast vooluringi avamist I2=0 ja demagnetiseeriv efekt langeb koheselt nullini.
2. Magnetvoo kiire küllastumine:Tasakaalustamata primaarsed ampri{0}}pöörded I1N1 muudetakse täielikult põnevateks ampri-pööreteks. Kuna raudsüdamiku ristlõikepind- on kavandatud madala magnetvoo tiheduse jaoks, siseneb raudsüdamik kiiresti sügava küllastumise olekusse.
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt indutseerib vahelduv magnetvoog mähistele üle elektromotoorjõu. Magnetvoo kiire suurenemisega indutseeritakse sekundaarmähises ülikõrge pinge U2.
3. Kõrgepinge genereerimine:Toitesageduse tingimustes võib mitmesajaamprise primaarvoolu korral indutseeritud pinge avatud-lülitatud sekundaarküljel kergesti ulatuda mitme tuhande voltini ja äärmuslikel juhtudel ületada 10 kilovolti.
Voolutrafo sekundaarkülje avatud vooluahela ohud.
Sekundaarsest avatud{0}}vooluahelast põhjustatud kõrgepinge ja sellega seotud nähtused võivad vallandada rea ahelreaktsiooni ohte.
1. Elektrilöögi oht töötajatele
Sekundaarsetel juhtmestiku klemmidel on tuhandeid volte kõrgepinge, mis tekitab otseselt tõsise elektrilöögi ohu. Hooldus- ja ülevaatuspersonal võib saada elektrilöögi, kui nad kogemata puudutavad neid klemmid ilma nõuetekohase kaitseta.
2. Seadmete kahjustused
● Isolatsiooni rike: Kõrgepinge lõikab esmalt läbi isolatsiooni sekundaarmähise keerdude vahel, kihtide vahel või isolatsiooni sekundaarahela ja maanduse vahel, mis põhjustab CT püsivaid kahjustusi.
● Ülekuumenemine ja põlemine: Kui südamik on tugevalt küllastunud, tekitab see tohutuid pöörisvoolu- ja hüstereesikadusid, põhjustades südamiku ülekuumenemise. See võib põletada mähise isolatsiooni ja isegi põhjustada tulekahju.
● Kaar ja plahvatus: avatud-ahela punktid (nt lahtised klemmid) tekitavad kõrgepinge all püsivaid kaare. Kaare kõrge temperatuur võib kahjustada seadmeid, süttida ümbritsevaid põlevaid materjale ning suletud kappidesse kogunenud kõrgel temperatuuril{2}}kuhjuv gaas võib isegi põhjustada elektriplahvatuse.
3. Ohud süsteemi toimimisele
Mõõtmise kadu ja rike: CT--tüüpi elektriarvestite puhul muutub sisendvool nulliks, mistõttu need ei saa elektrit mõõta. See toob kaasa mõõdetud elektri kadumise ja võib vallandada vaidlusi kaubanduslike arvelduste üle.
Ohtlikud kõrge{0}}pinge sädemed: need ei toimi mitte ainult süüteallikana, vaid nende tekitatavad intensiivsed elektromagnetilised impulsid võivad häirida ka läheduses asuvaid elektroonikaseadmeid.
Järeldus
Voolutrafo (CT) sekundaarküljel olev avatud vooluahel kutsub esile elektromagnetilise energia vägivaldse akumuleerumise, mis lõpuks vabaneb kõrgepinge, tugevate kaare ja ülekuumenemise kujul – see on füüsiline katastroofiline protsess. Seetõttu tuleb kõigis CT-ahelatega seotud töödes rangelt järgida "avatud vooluahelate vältimist".
Samal ajal peab energiaarvestiga ühendatud voolutrafo sekundaarkülg olema maandatud. Need koos "sekundaarsel poolel avatud vooluahelate rangelt keelamisega" on CT töö ja hoolduse kaks peamist raudkindlat reeglit. Maandus võimaldab kõrgepinge kiiresti maandusjuhtme kaudu maandusse viia, vältides sekundaarse külgpotentsiaali järsku suurenemist, mis võib põhjustada seadme kahjustusi või elektrilöögiga seotud õnnetusi.