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 stroomtransformatoren
Een stroomtransformator (CT) is een speciaal type transformator dat werkt op basis van het principe van elektromagnetische inductie. De belangrijkste ontwerpprincipes zijn "stroomreductie" en "isolatie".
Structuur
Het bestaat doorgaans uit een gesloten ijzeren kern, een primaire wikkeling met een relatief klein aantal windingen (in serie geschakeld in het hoofdcircuit) en een secundaire wikkeling met een relatief groot aantal windingen (verbonden met de elektriciteitsmeter).
Ideale staat
In een normaal gesloten circuit werkt de CT in een toestand van ongeveer "kortsluiting". 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 op zijn beurt een stroom I2 aan de secundaire zijde induceert. De relatie tussen de twee is:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Waar N1 en N2 het aantal windingen in de primaire en secundaire wikkelingen zijn, en Im de bekrachtigingsstroom. Vanwege de grote excitatie-impedantie in het ontwerp is Im extreem klein, dus in een ideale staat kan het worden vereenvoudigd tot:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ of I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Hier is Kn de nominale windingsverhouding, bijvoorbeeld 1000/5A. Op dit moment wordt de grote stroom aan de primaire zijde nauwkeurig proportioneel omgezet in een kleine stroom aan de secundaire zijde (meestal een standaardwaarde van 5A of 1A) voor veilige metingen door instrumenten. Tegelijkertijd is het potentieel van het secundaire circuit van de CT erg laag (meestal slechts een paar volt), binnen een veilig bereik.
Principeanalyse van open circuit van secundair circuit
Wanneer het secundaire circuit opengaat vanwege bijvoorbeeld losse aansluitingen, kapotte draden of per ongeluk loskoppelen tijdens het testen, ondergaat de bedrijfstoestand een catastrofale verandering.
| Werkstatus | Normaal Gesloten | Secundair open circuit |
|---|---|---|
| Secundaire stroom I2 | Bestaat, evenredig met I1 | I2=0 |
| Kernmagnetische flux Φ | Effectief onderdrukt door de demagnetiserende flux gegenereerd door I2, op een laag niveau gehouden | Verliest de onderdrukking en verzadigt snel tot een extreem hoge waarde |
| Secundaire spanning U2 | Zeer laag (meerdere volt) | Induceert een hoge spanning van duizenden tot zelfs tienduizenden volt |
| Fysieke essentie | Sterke koppeling, diepe negatieve feedback: I2 verzet zich sterk tegen de verandering van Φ | Feedback uitgeschakeld-uit, energieaccumulatie: alle primaire ampère-beurten I1N1 worden gebruikt voor excitatie |
Het fysieke kernproces is als volgt:
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 die gegenereerd door de primaire stroom I1, waardoor een sterk "demagnetiserend" effect ontstaat dat de gecombineerde magnetische flux in de kern tot een laag niveau beperkt. Nadat het circuit is geopend, I2=0, keert het demagnetiserende effect onmiddellijk terug naar nul.
Snelle verzadiging van magnetische flux
De primaire ampère-windingen I1 en N1, nu ongeremd, worden volledig omgezet in magnetiserende ampère-windingen. Omdat het dwarsdoorsnedeoppervlak van de kern is ontworpen voor een lage magnetische fluxdichtheid, komt de kern snel in een diepe verzadigingstoestand.
Volgens de wet van Faraday van elektromagnetische inductie induceert wisselende magnetische flux een elektromotorische kracht over de wikkeling. Wanneer de magnetische flux dramatisch toeneemt, zal er een extreem hoge spanning U2 over de secundaire wikkeling worden geïnduceerd.
Opwekking van hoogspanning
Onder omstandigheden met een netfrequentie kan de geïnduceerde spanning aan de secundaire zijde van een open- circuit bij een primaire stroom van enkele honderden ampères gemakkelijk enkele duizenden volts bereiken, en in extreme gevallen zelfs meer dan 10 kilovolt bereiken.
Gevaren van open circuit aan de secundaire zijde van de stroomtransformator
De hoge spanning en de bijbehorende verschijnselen die worden gegenereerd door een open circuit aan de secundaire zijde, kunnen een reeks kettingreacties van gevaren veroorzaken.
Gevaar voor elektrische schokken
De aanwezigheid van duizenden volt hoogspanning op de secundaire aansluitingen vormt direct een ernstig risico op een elektrische schok. Onderhouds- en reparatiepersoneel dat zonder voorzorgsmaatregelen met deze spanning in aanraking komt, kan een elektrische schok krijgen.
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: Een open circuitpunt (zoals een losse aansluiting) genereert een continue elektrische boog onder hoge spanning. De hoge temperatuur van de boog kan de apparatuur doorbranden, omringende brandbare stoffen doen ontbranden, en de gassen met hoge- temperatuur die zich in de afgesloten kast ophopen, kunnen zelfs een elektrische explosie veroorzaken.
Gevaren voor systeembediening
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 elektriciteitsverlies 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.
Conclusie
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 het "voorkomen van open circuits" strikt worden nageleefd bij alle werkzaamheden waarbij CT-circuits betrokken zijn.
Tegelijkertijd 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 twee ijzersterke kernregels voor CT-bediening en -onderhoud. Door aarding kunnen eventuele hoge spanningspieken snel via een aardingsdraad naar de aarde worden afgevoerd, waardoor plotselinge stijgingen van het secundaire potentiaal worden voorkomen, wat zou kunnen leiden tot doorbranden van apparatuur of ongelukken met elektrische schokken.