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 dels transformadors de corrent
Un transformador de corrent (TC) 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".
Estructura
Normalment consisteix en un nucli de ferro tancat, un bobinatge primari amb un nombre relativament petit d'espires (connectat en sèrie al circuit principal) i un bobinatge secundari amb un nombre relativament gran d'espires (connectat al comptador d'electricitat).
Estat Ideal
En un circuit tancat normal, el TC funciona en un estat aproximadament de "curt-circuit". Segons 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 al seu torn indueix un corrent I2 al costat secundari. La relació entre tots dos és:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
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 gran impedància d'excitació del disseny, Im és extremadament petita, de manera que en un estat ideal es pot simplificar a:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ o I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Aquí, Kn és la relació de volta nominal, per exemple, 1000/5A. En aquest moment, el gran corrent del costat primari es converteix amb precisió proporcionalment en un petit corrent del costat secundari (normalment un valor estàndard de 5A o 1A) per a una mesura segura per instruments. Simultàniament, el potencial del circuit secundari del TC és molt baix (normalment només uns pocs volts), dins d'un rang segur.
Anàlisi de principis de circuits oberts de circuit secundari
Quan el circuit secundari s'obre per motius com ara terminals solts, cables trencats o desconnexió accidental durant la prova, el seu estat de funcionament experimenta un canvi catastròfic.
| Estat de Treball | Normal Tancat | Circuit obert secundari |
|---|---|---|
| Corrent secundària I2 | Existeix, proporcional a I1 | I2=0 |
| Flux magnètic del nucli Φ | Eficaçment suprimit pel flux desmagnetitzant generat per I2, mantingut a un nivell baix | Perd la supressió, satura ràpidament fins a un valor extremadament alt |
| Tensió secundària U2 | Molt baix (diversos volts) | Indueix alt voltatge de milers a fins i tot desenes de milers de volts |
| Essència física | Acoblament fort, retroalimentació negativa profunda: I2 resisteix fortament el canvi de Φ | Tall de retroalimentació-desactivada, acumulació d'energia: tots els girs-d'amperis primaris I1N1 s'utilitzen per a l'excitació |
El procés físic bàsic és el següent:
Desaparició de la retroalimentació desmagnetitzadora
Durant el funcionament normal, el flux magnètic generat pel corrent secundari I2 sempre està en la direcció oposada al generat pel corrent primari I1, creant un fort efecte "desmagnetitzant" que limita el flux magnètic combinat al nucli a un nivell baix. Després d'obrir el circuit, I2=0, i l'efecte desmagnetitzant torna a zero instantàniament.
Ràpida saturació del flux magnètic
Les spires-d'ampere-primàries I1 i N1, ara sense restriccions, 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 profunda.
Segons la llei d'inducció electromagnètica de Faraday, el flux magnètic alternant indueix una força electromotriu a través del bobinatge. Quan el flux magnètic augmenta dràsticament, s'induirà una tensió U2 extremadament alta a través del bobinatge secundari.
Generació d'Alta Tensió
En condicions de freqüència elèctrica, per a un corrent primari de diversos centenars d'amperes, la tensió induïda en un costat secundari-obert pot arribar fàcilment a diversos milers de volts i, en casos extrems, superar els 10 quilovolts.
Riscos de circuit obert al costat secundari del transformador de corrent
L'alta tensió i els fenòmens acompanyants generats per un circuit obert al costat secundari poden desencadenar una sèrie de reaccions en cadena de perills.
Perill de descàrrega elèctrica
La presència de milers de volts d'alta tensió als terminals secundaris constitueix directament un greu risc de descàrrega elèctrica. El personal de manteniment i reparació que entri en contacte amb aquesta tensió sense precaucions pot patir una descàrrega elèctrica.
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: un punt de circuit obert (com ara un terminal solt) generarà 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.
Riscos 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.
Conclusió
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, "prevenir circuits oberts" s'ha de respectar estrictament en tots els treballs que involucren circuits TC.
Simultàniament, 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 dues regles bàsiques d'operació i manteniment de TC. La posada a terra permet que qualsevol sobretensió d'alta tensió es descarregui ràpidament a terra mitjançant un cable de connexió a terra, evitant augments sobtats del potencial secundari que podrien provocar l'esgotament de l'equip o accidents de descàrrega elèctrica.