En els sistemes de mesura i monitorització de potència, els comptadors d'energia que requereixen transformadors de corrent externs (TC) són omnipresents; són els nostres "ulls" per detectar amb precisió grans corrents. No obstant això, dins d'aquest sistema sofisticat hi ha una regla crucial que sempre s'ha de seguir: el costat secundari del transformador de corrent no s'ha d'utilitzar mai en una condició de circuit obert-. Aquest article aprofundirà en els principis i els perills darrere d'aquesta regla.
Principi de funcionament normal d'un transformador de corrent
Un transformador de corrent (TC) és un tipus especial de transformador que funciona segons el principi de la inducció electromagnètica. El seu disseny bàsic se centra en la "reducció actual" i l'"aïllament".
1. Estructura: Està formada habitualment per un nucli de ferro tancat, un bobinatge primari amb menys espires (connectat en sèrie amb el circuit principal) i un bobinatge secundari amb més espires (connectat al comptador d'energia).
2. Estat ideal: en un circuit normalment tancat, 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 genera un flux magnètic altern Φ al nucli de ferro, que al seu torn indueix un corrent I2 al costat secundari. La relació entre ells és:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
on N1 i N2 són el nombre de voltes dels bobinatges primari i secundari, i Im és el corrent d'excitació. A causa de la gran impedància d'excitació del disseny, Im és molt petita, de manera que, en el cas ideal, es pot simplificar a:
Aquí, Kn és la relació de transformació nominal, per exemple, 1000/5A. En aquest moment, el gran corrent del costat primari es converteix amb precisió i proporcionalment en un petit corrent al costat secundari (normalment un valor estàndard de 5A o 1A) per a una mesura segura per part de l'instrument. Al mateix temps, el potencial del circuit secundari del TC és molt baix (normalment només uns quants volts), que es troba dins d'un rang segur.
Anàlisi de principis quan el costat secundari està en circuit 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.
| Condició de funcionament | Normalment tancat | Circuit obert secundari |
|---|---|---|
| Corrent secundari I₂ |
Present, proporcional a I₁ | I₂ = 0 |
| Flux magnètic del nucli Φ |
El flux desmagnetitzant produït per I₂ suprimeix eficaçment el flux del nucli, mantenint un nivell baix | La supressió es perd; el flux es satura ràpidament a un nivell extremadament alt |
| Tensió secundària U₂ |
Molt baix (uns quants volts) | Alta tensió induïda en el rang de diversos quilovolts fins a desenes de quilovolts |
| Naturalesa Física | Acoblament fort, retroalimentació negativa profunda: I₂ s'oposa fortament als canvis en Φ | Retroalimentació interrompuda, acumulació d'energia: totes les spires{0}}d'amperes primàries (I₁N₁) s'utilitzen per a la magnetització |
Els processos físics bàsics són els següents👇:
1. Desaparició de la retroalimentació desmagnetitzadora:Durant el funcionament normal, el flux magnètic generat pel corrent secundari I2 és sempre oposat en direcció al flux magnètic generat pel corrent primari I1, creant un fort efecte "desmagnetitzant" que limita el flux magnètic resultant al nucli de ferro a un nivell baix. Després d'obrir el circuit, I2=0, i l'efecte desmagnetitzant cau a l'instant a zero.
2. Ràpida saturació del flux magnètic:Els amper-volts primaris desequilibrats I1N1 es converteixen completament en amper-volts excitants. Com que l'àrea de la secció transversal del nucli de ferro- està dissenyada per a una baixa densitat de flux magnètic, el nucli de ferro entra ràpidament en un estat de saturació profunda.
Segons la llei d'inducció electromagnètica de Faraday, el flux magnètic altern indueix una força electromotriu a través dels bobinatges. Amb el ràpid augment del flux magnètic, s'induirà una tensió U2 extremadament alta a través del bobinatge secundari.
3. Generació d'alta tensió:En condicions de freqüència elèctrica, per a un corrent primari de diversos centenars d'amperes, la tensió induïda al costat secundari de circuit obert-pot arribar fàcilment a diversos milers de volts i, en casos extrems, pot superar els 10 quilovolts.
Els perills d'un circuit obert al costat secundari d'un transformador de corrent.
L'alta tensió i els fenòmens associats causats per un circuit-obert secundari poden desencadenar una sèrie de perills de-reaccions en cadena.
1. Risc de descàrrega elèctrica per al personal
Hi ha milers de volts d'alta tensió als terminals del cablejat secundari, creant directament un risc greu de descàrrega elèctrica. El personal de manteniment i inspecció pot patir una descàrrega elèctrica si toca accidentalment aquests terminals sense la protecció adequada.
2. Danys a l'equip
● Avaria de l'aïllament: L'alta tensió puntuarà primer l'aïllament entre spires del bobinat secundari, entre capes, o l'aïllament entre el circuit secundari i terra, provocant un dany permanent del TC.
● Sobreescalfament i cremada: Després que el nucli s'hagi saturat, genera pèrdues enormes de corrents de Foucault i histèresi, fent que el nucli es sobreescalfi. Això pot cremar l'aïllament del bobinatge i fins i tot provocar un incendi.
● Arc i explosió: els punts-de circuits oberts (com ara terminals solts) generaran arcs sostinguts a alta tensió. L'alta temperatura dels arcs pot danyar l'equip, encendre els materials combustibles circumdants i el gas d'alta temperatura-acumulat als armaris tancats pot fins i tot provocar una explosió elèctrica.
3. Riscos per al funcionament del sistema
Pèrdues i errors en la mesura: per als comptadors d'electricitat de tipus CT-, el corrent d'entrada esdevé zero, cosa que fa que no puguin mesurar l'electricitat. Això comporta la pèrdua d'electricitat mesurada i pot desencadenar disputes sobre acords comercials.
Espurnes perilloses d'alta-tensió: aquestes no només actuen com a font d'ignició, sinó que els intensos polsos electromagnètics que generen també poden interferir amb els equips electrònics propers.
Conclusió
Un circuit obert al costat secundari d'un transformador de corrent (TC) desencadena una acumulació violenta d'energia electromagnètica, que finalment s'allibera en forma d'alta tensió, arcs forts i sobreescalfament, un procés físic catastròfic. Per tant, en tots els treballs que involucren circuits TC, "prevenir circuits oberts" ha de ser un procediment estricte.
Al mateix temps, el costat secundari del transformador de corrent connectat al comptador d'energia s'ha de posar a terra. Això, juntament amb "prohibir estrictament els circuits oberts al costat secundari", són les dues regles bàsiques per a l'operació i el manteniment del CT. La posada a terra permet que l'alta tensió es descarregui ràpidament a terra a través del cable de connexió a terra, evitant un augment sobtat del potencial secundari que podria causar danys a l'equip o accidents de descàrrega elèctrica.