In energiemetings- en monitoringsystemen zijn elektriciteitsmeters die externe stroomtransformatoren (CT's) nodig hebben alomtegenwoordig; zij zijn onze ‘ogen’ voor het nauwkeurig waarnemen van enorme stromingen. In dit geavanceerde systeem schuilt echter een ijzersterke regel die te allen tijde moet worden nageleefd: de secundaire zijde van de stroomtransformator mag nooit met een open circuit worden gebruikt. Dit artikel gaat dieper in op de onderliggende principes en de gevaren die daarmee gepaard gaan.
Normaal werkingsprincipe van de huidige transformator
Een CT (Current Transformer) is een speciaal type transformator dat werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie. De belangrijkste ontwerpprincipes zijn "stroomreductie" en "isolatie".
1. Structuur: deze bestaat doorgaans uit een gesloten ijzeren kern, een primaire wikkeling met minder windingen (in serie geschakeld in het hoofdcircuit) en een secundaire wikkeling met meer windingen (verbonden met de elektriciteitsmeter).
2. Ideale toestand: In een normaal gesloten circuit werkt de CT ongeveer in een "kortsluitings"-toestand. Volgens de circuitwet van Ampere en de wet van elektromagnetische inductie zal de primaire stroom I1 een wisselende magnetische flux Φ in de ijzeren kern genereren, die vervolgens een stroom I2 aan de secundaire zijde zal induceren. De relatie tussen de twee is als volgt:
Waarbij N1 en N2 het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkelingen zijn, en Im de bekrachtigingsstroom. Vanwege de zeer grote excitatie-impedantie en de extreem kleine Im in het ontwerp, kan deze onder ideale omstandigheden worden vereenvoudigd tot het volgende:
Hier verwijst Kn naar de nominale transformatieverhouding, zoals 1000/5A. In dit geval wordt de grote stroom aan de primaire zijde nauwkeurig en proportioneel omgezet in een kleine stroom aan de secundaire zijde (doorgaans een standaardwaarde van 5A of 1A) voor veilige instrumentmetingen. Tegelijkertijd is het secundaire circuitpotentieel van de stroomtransformator (CT) erg laag (meestal slechts een paar volt), binnen een veilig bereik.
Principeanalyse wanneer de secundaire zijde open is
Wanneer het secundaire circuit opengaat als gevolg van losse aansluitingen, kapotte draden of per ongeluk loskoppelen tijdens het testen, ondergaat de bedrijfstoestand een catastrofale verandering.
| Bedrijfsstatus | Normale sluiting | Secundaire wegopening |
|
|
Bestaat, evenredig met I1 |
|
|
Φ |
Effectief onderdrukt door de demagnetiserende flux gegenereerd door I2, waardoor een laag niveau behouden blijft | Verlies van remming, snelle verzadiging tot extreem hoge waarden |
|
|
Zeer laag (meerdere volt) | Er werd een hoge spanning van duizenden of zelfs tienduizenden volt opgewekt. |
| Fysieke aard | Sterke koppeling, diepe negatieve feedback: I2 verzet zich sterk tegen veranderingen in Φ | Feedbackafsluiting en energieaccumulatie: Alle primaire ampère--wikkelingen I1 en N1 worden gebruikt voor excitatie. |
De belangrijkste fysieke processen zijn als volgt:
1: Verdwijning van demagnetiserende feedback
Tijdens normaal bedrijf is de magnetische flux die wordt gegenereerd door de secundaire stroom I2 altijd in de tegenovergestelde richting van de magnetische flux die wordt gegenereerd door de primaire stroom I1, waardoor een sterk "demagnetiserend" effect ontstaat dat de gecombineerde magnetische flux in de ijzeren kern tot een laag niveau beperkt. Nadat het circuit is geopend, I2=0, keert het demagnetiserende effect onmiddellijk terug naar nul.
2: Snelle verzadiging van magnetische flux
De ongebalanceerde primaire ampère-windingen I1 en N1 worden volledig omgezet in magnetiserende ampère-windingen. Omdat het dwarsdoorsnedeoppervlak van de kern is ontworpen voor een lage magnetische fluxdichtheid, komt de kern op dit punt snel in een diepe verzadigingstoestand.
Volgens de wet van Faraday van elektromagnetische inductie zal een wisselende magnetische flux een elektromotorische kracht over de wikkeling veroorzaken. Wanneer de magnetische flux sterk toeneemt, zal er een extreem hoge spanning U2 over de secundaire wikkeling worden geïnduceerd.
3: Generatie van hoge druk
Onder stroomfrequentieomstandigheden kan de geïnduceerde spanning aan de secundaire zijde van het open- circuit bij een primaire stroom van enkele honderden ampères gemakkelijk enkele duizenden volts bereiken, en in extreme gevallen zelfs meer dan 10 kilovolt.
De nationale norm GB/T 20840.2-2014 "Instrumenttransformatoren - Deel 2: aanvullende technische vereisten voor stroomtransformatoren" stelt strenge eisen aan de isolatieprestaties van instrumenttransformatoren, en deze plotselinge hoge spanning overschreed ruimschoots de normale ontwerpcapaciteit.
Gevaren van open circuit aan de secundaire zijde van de stroomtransformator
De hoge spanning en de bijbehorende verschijnselen die worden gegenereerd door een secundair open circuit kunnen een reeks kettingreacties van gevaren veroorzaken.
1. Gevaar voor elektrische schokken: Er staan duizenden volt hoogspanning op de secundaire aansluitingen, wat direct een ernstig risico op elektrische schokken met zich meebrengt. Onderhouds- en reparatiepersoneel dat zonder voorzorgsmaatregelen met deze spanning in aanraking komt, kan een elektrische schok krijgen.
2. Schade aan apparatuur:
Isolatiestoring: Hoogspanning zal eerst de inter{0}}winding- en inter-laagisolatie van de secundaire wikkeling afbreken, of de isolatie naar aarde in het secundaire circuit afbreken, wat leidt tot permanente schade aan de stroomtransformator (CT).
Oververhitting en burn-out: Wanneer de ijzeren kern sterk verzadigd is, zal deze enorme wervelstromen en hysteresisverliezen genereren, waardoor de ijzeren kern oververhit raakt, waardoor de wikkelingsisolatie kan doorbranden en zelfs brand kan ontstaan.
Elektrische boog en explosie: Open circuitpunten (zoals losse aansluitingen) genereren een continue elektrische boog onder hoge spanning. De hoge temperatuur van de boog kan apparatuur doorbranden, omliggende brandbare stoffen doen ontbranden, en de gassen met hoge- temperatuur die zich in de afgesloten kast ophopen, kunnen zelfs een elektrische explosie veroorzaken.
3. Gevaren voor de werking van het systeem
Onnauwkeurigheid en falen van de meting: bij energiemeters van het CT--type zorgt een ingangsstroom van nul ervoor dat ze geen elektriciteit kunnen meten, wat leidt tot verloren elektriciteit en mogelijke handelsgeschillen.
Genereren van gevaarlijke hoogspanningsvonken: dit is niet alleen een ontstekingsbron, maar de resulterende sterke elektromagnetische pulsen kunnen ook interferentie veroorzaken met elektronische apparatuur in de buurt.
Samenvatten
Een open circuit aan de secundaire zijde van een stroomtransformator veroorzaakt een gewelddadige accumulatie van elektromagnetische energie, wat uiteindelijk resulteert in een fysieke catastrofe die zich manifesteert als hoge spanning, sterke elektrische bogen en oververhitting. Daarom moet bij alle werkzaamheden waarbij CT-circuits betrokken zijn, de "open circuit preventie" strikt worden nageleefd als procedure.
Ondertussen moet de secundaire zijde van de stroomtransformator die op de elektriciteitsmeter is aangesloten, geaard zijn. Dit, samen met het "strikt verbieden van open circuits aan de secundaire kant", zijn de twee ijzersterke kernregels voor CT-bediening en -onderhoud. Na het aarden kan de hoogspanning die is binnengekomen snel via de aardingsdraad naar de aarde worden afgevoerd, waardoor doorbranden van apparatuur of ongelukken met elektrische schokken als gevolg van een plotselinge stijging van het secundaire potentiaal worden vermeden.