En els sistemes de mesura i monitorització de potència, els comptadors d'electricitat que requereixen transformadors de corrent (TC) externs són omnipresents; són els nostres "ulls" per detectar amb precisió els corrents massius. No obstant això, dins d'aquest sofisticat sistema s'amaga una regla ferma que s'ha de seguir en tot moment: el costat secundari del transformador de corrent no s'ha de fer mai funcionar amb un circuit obert. Aquest article aprofundirà en els principis subjacents i els perills que comporta.
Principi de funcionament normal del transformador de corrent
Un TC (Transformador de corrent) és un tipus especial de transformador que funciona segons el principi de la inducció electromagnètica. Els seus principis bàsics de disseny són "reducció actual" i "aïllament".
1. Estructura: Consta habitualment d'un nucli de ferro tancat, un bobinat primari amb menys espires (connectat en sèrie al circuit principal) i un bobinatge secundari amb més espires (connectat al comptador d'electricitat).
2. Estat ideal: en un circuit tancat normal, el TC funciona en un estat aproximadament de "curt-circuit". D'acord amb la llei de circuits d'Ampere i la llei de la inducció electromagnètica, el corrent primari I1 generarà un flux magnètic altern Φ al nucli de ferro, que després induirà un corrent I2 al costat secundari. La relació entre tots dos és la següent:
On N1 i N2 són el nombre de voltes en els bobinatges primari i secundari, i Im és el corrent d'excitació. A causa de la impedància d'excitació molt gran i d'una Im extremadament petita en el disseny, es pot simplificar a la següent en condicions ideals:
Aquí, Kn es refereix a la relació de transformació nominal, com ara 1000/5A. En aquest cas, el gran corrent del costat primari es converteix de manera precisa i proporcional en un petit corrent del costat secundari (normalment un valor estàndard de 5A o 1A) per a una mesura segura de l'instrument. Simultàniament, el potencial del circuit secundari del transformador de corrent (TC) és molt baix (normalment només uns pocs volts), dins d'un rang segur.
Anàlisi de principis quan el costat secundari està obert
Quan el circuit secundari s'obre a causa de terminals solts, cables trencats o desconnexió accidental durant la prova, el seu estat de funcionament experimenta un canvi catastròfic.
| Estat de funcionament | Tancament normal | Obertura de la carretera secundària |
|
|
Existeix, proporcional a I1 |
|
|
Φ |
Eficaçment suprimit pel flux desmagnetitzant generat per I2, mantenint un nivell baix | Pèrdua d'inhibició, saturació ràpida fins a valors extremadament alts |
|
|
Molt baix (diversos volts) | Es va induir un alt voltatge de milers o fins i tot desenes de milers de volts. |
| Naturalesa física | Acoblament fort, retroalimentació negativa profunda: I2 resisteix fortament els canvis en Φ | Tall de retroalimentació i acumulació d'energia: totes les spires d'amper-primaris I1 i N1 s'utilitzen per a l'excitació. |
Els seus processos físics bàsics són els següents:
1: Desaparició de la retroalimentació desmagnetitzadora
Durant el funcionament normal, el flux magnètic generat pel corrent secundari I2 està sempre en la direcció oposada al flux magnètic generat pel corrent primari I1, creant un fort efecte "desmagnetitzant" que limita el flux magnètic combinat al nucli de ferro a un nivell baix. Després d'obrir el circuit, I2=0, i l'efecte desmagnetitzant torna a zero instantàniament.
2: Saturació ràpida del flux magnètic
Les spires-d'ampere-primaris desequilibrades I1 i N1 es converteixen completament en spires-d'ampere magnetitzants. Com que l'àrea de la secció transversal del nucli-està dissenyada per a una baixa densitat de flux magnètic, el nucli entra ràpidament en un estat de saturació profund en aquest punt.
Segons la llei d'inducció electromagnètica de Faraday, el flux magnètic altern induirà una força electromotriu a través del bobinatge. Quan el flux magnètic augmenta bruscament, s'induirà una tensió U2 extremadament alta a través del bobinatge secundari.
3: Generació d'alta pressió
En condicions de freqüència elèctrica, per a un corrent primari de diversos centenars d'amperes, la tensió induïda al costat secundari-obert del circuit obert pot arribar fàcilment a diversos milers de volts i, en casos extrems, pot superar els 10 quilovolts.
L'estàndard nacional GB/T 20840.2-2014 "Transformadors d'instruments - Part 2: Requisits tècnics suplementaris per als transformadors de corrent" té requisits estrictes per al rendiment d'aïllament dels transformadors d'instruments, i aquesta alta tensió sobtada va superar amb escreix la seva capacitat de disseny normal.
Perills de circuit obert al costat secundari del transformador de corrent
L'alta tensió i els fenòmens associats generats per un circuit obert secundari poden desencadenar una sèrie de reaccions en cadena de perills.
1. Perill de descàrrega elèctrica: hi ha milers de volts d'alta tensió als terminals secundaris, que representen directament un risc greu de descàrrega elèctrica. El personal de manteniment i reparació que entri en contacte amb aquesta tensió sense precaucions pot patir una descàrrega elèctrica.
2. Danys a l'equip:
Avaria de l'aïllament: l'alta tensió trencarà primer l'aïllament inter-torn i inter{1}}capes del bobinatge secundari, o trencarà l'aïllament a terra al circuit secundari, provocant danys permanents al transformador de corrent (TC).
Sobreescalfament i esgotament: quan el nucli de ferro està molt saturat, generarà grans corrents de Foucault i pèrdues d'histèresi, provocant un sobreescalfament del nucli de ferro, que pot cremar l'aïllament del bobinatge i fins i tot provocar un incendi.
Arc elèctric i explosió: els punts de circuit obert (com ara terminals solts) generaran un arc elèctric continu sota alta tensió. L'alta temperatura de l'arc pot cremar l'equip, encendre els combustibles circumdants i els gasos d'alta temperatura-acumulats a l'armari segellat poden fins i tot provocar una explosió elèctrica.
3. Perills de funcionament del sistema
Inexactitud i errors en el mesurament: per als comptadors d'energia de tipus CT-, un corrent d'entrada zero els farà incapaços de mesurar l'electricitat, cosa que provocarà pèrdues d'electricitat i possibles disputes d'acord comercial.
Generació de-espurnes perilloses d'alta tensió: no només es tracta d'una font d'ignició, sinó que els forts polsos electromagnètics resultants també poden interferir amb equips electrònics propers.
Resumir
Un circuit obert al costat secundari d'un transformador de corrent desencadena una acumulació violenta d'energia electromagnètica, que finalment resulta en una catàstrofe física que es manifesta com a alta tensió, arcs elèctrics forts i sobreescalfament. Per tant, en tots els treballs que involucren circuits TC, s'ha de respectar estrictament com a procediment la "prevenció de circuits oberts".
Mentrestant, el costat secundari del transformador de corrent connectat al comptador d'electricitat s'ha de posar a terra. Això, juntament amb "prohibir estrictament els circuits oberts al costat secundari", són les dues regles bàsiques de funcionament i manteniment del CT. Després de la posada a terra, l'alta tensió que ha augmentat es pot descarregar ràpidament a terra a través del cable de connexió a terra, evitant l'esgotament de l'equip o accidents de descàrrega elèctrica causats per un augment sobtat del potencial secundari secundari.