ในระบบวัดและติดตามกำลังไฟฟ้า มิเตอร์ไฟฟ้าที่ต้องใช้หม้อแปลงกระแสภายนอก (CT) มีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง พวกมันคือ "ดวงตา" ของเราในการตรวจจับกระแสน้ำขนาดใหญ่อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ซ่อนอยู่ภายในระบบที่ซับซ้อนนี้คือกฎเหล็กที่ต้องปฏิบัติตามตลอดเวลา: ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะต้องไม่ใช้งานกับวงจรเปิด บทความนี้จะเจาะลึกถึงหลักการพื้นฐานและอันตรายที่เกี่ยวข้อง

หลักการทำงานปกติของหม้อแปลงกระแส
CT (หม้อแปลงกระแส) เป็นหม้อแปลงชนิดพิเศษที่ทำงานตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการออกแบบหลักคือ "การลดกระแส" และ "การแยกตัว"
1. โครงสร้าง: โดยทั่วไปจะประกอบด้วยแกนเหล็กปิด ขดลวดปฐมภูมิที่มีรอบน้อยกว่า (เชื่อมต่อแบบอนุกรมในวงจรหลัก) และขดลวดทุติยภูมิที่มีรอบมากขึ้น (เชื่อมต่อกับมิเตอร์ไฟฟ้า)

2. สถานะในอุดมคติ: ในวงจรปิดปกติ CT ทำงานในสถานะ "ลัดวงจร" โดยประมาณ ตามกฎวงจรของแอมแปร์และกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าปฐมภูมิ I1 จะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับ Φ ในแกนเหล็ก ซึ่งจะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า I2 ที่ด้านทุติยภูมิ ความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสองมีดังนี้:
![]()
โดยที่ N1 และ N2 คือจำนวนรอบในขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ และ Im คือกระแสกระตุ้น เนื่องจากอิมพีแดนซ์ในการกระตุ้นมีขนาดใหญ่มากและ Im มีขนาดเล็กมากในการออกแบบ จึงสามารถลดความซับซ้อนดังต่อไปนี้ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม:

ในที่นี้ Kn หมายถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงที่กำหนด เช่น 1,000/5A ในกรณีนี้ กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ด้านปฐมภูมิจะถูกแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่ด้านทุติยภูมิอย่างแม่นยำและเป็นสัดส่วน (โดยทั่วไปคือค่ามาตรฐาน 5A หรือ 1A) เพื่อการวัดเครื่องมือที่ปลอดภัย ในขณะเดียวกัน ศักย์ไฟฟ้าวงจรทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (CT) ต่ำมาก (โดยปกติจะเป็นเพียงไม่กี่โวลต์) ภายในช่วงที่ปลอดภัย
การวิเคราะห์หลักเมื่อเปิดด้านรอง
เมื่อวงจรทุติยภูมิเปิดเนื่องจากขั้วต่อหลวม สายไฟขาด หรือการหลุดโดยไม่ตั้งใจระหว่างการทดสอบ สถานะการทำงานของวงจรจะเกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่
| สถานะการดำเนินงาน | ปิดปกติ | การเปิดถนนสายรอง |
|
|
มีอยู่จริงเป็นสัดส่วนกับ I1 |
|
|
Φ |
ถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพโดยฟลักซ์ล้างอำนาจแม่เหล็กที่สร้างโดย I2 โดยคงระดับไว้ที่ต่ำ | สูญเสียการยับยั้ง ความอิ่มตัวอย่างรวดเร็วจนถึงค่าที่สูงมาก |
|
|
ต่ำมาก (หลายโวลต์) | เกิดไฟฟ้าแรงสูงหลายพันหรือหลายหมื่นโวลต์ |
| ธรรมชาติทางกายภาพ | การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง การตอบรับเชิงลบอย่างลึกซึ้ง: I2 ต้านทานการเปลี่ยนแปลงใน Φ อย่างมาก | การตัดกระแสป้อนกลับและการสะสมพลังงาน: แอมแปร์ปฐมภูมิทั้งหมด-รอบ I1 และ N1 ใช้สำหรับการกระตุ้น |
กระบวนการทางกายภาพหลักมีดังนี้:
1: การหายไปของการตอบรับการล้างอำนาจแม่เหล็ก
ในระหว่างการทำงานปกติ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสทุติยภูมิ I2 จะอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กที่สร้างโดยกระแสปฐมภูมิ I1 เสมอ ทำให้เกิด "การลดอำนาจแม่เหล็ก" อย่างแรง ซึ่งจะจำกัดฟลักซ์แม่เหล็กที่รวมกันในแกนเหล็กให้อยู่ในระดับต่ำ หลังจากเปิดวงจรแล้ว I2=0 และผลการลดอำนาจแม่เหล็กจะกลับสู่ศูนย์ทันที
2: ความอิ่มตัวของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างรวดเร็ว
กระแสแอมแปร์หลักที่ไม่สมดุล-รอบ I1 และ N1 จะถูกแปลงเป็นกระแสแอมแปร์แม่เหล็กทั้งหมด- เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของแกนกลาง-ได้รับการออกแบบให้มีความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กต่ำ แกนกลางจึงเข้าสู่สถานะอิ่มตัวเชิงลึกอย่างรวดเร็ว ณ จุดนี้

ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ ฟลักซ์แม่เหล็กสลับจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าข้ามขดลวด เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว U2 แรงดันสูงมากจะถูกเหนี่ยวนำให้เคลื่อนผ่านขดลวดทุติยภูมิ
3: การสร้างแรงดันสูง
ภายใต้เงื่อนไขความถี่กำลัง สำหรับกระแสไฟฟ้าหลักหลายร้อยแอมแปร์ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ด้านทุติยภูมิของวงจรเปิด-สามารถเข้าถึงหลายพันโวลต์ได้อย่างง่ายดาย และในกรณีที่รุนแรง อาจเกิน 10 กิโลโวลต์

มาตรฐานแห่งชาติ GB/T 20840.2-2014 "หม้อแปลงเครื่องมือ - ส่วนที่ 2: ข้อกำหนดทางเทคนิคเพิ่มเติมสำหรับหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า" มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับประสิทธิภาพของฉนวนของหม้อแปลงเครื่องมือ และแรงดันไฟฟ้าสูงอย่างกะทันหันนี้เกินความสามารถในการออกแบบปกติมาก
อันตรายจากวงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแส
ไฟฟ้าแรงสูงและปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นตามมาซึ่งเกิดจากวงจรเปิดทุติยภูมิสามารถกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เป็นอันตรายได้
1. อันตรายจากไฟฟ้าช็อต: มีไฟฟ้าแรงสูงหลายพันโวลต์ที่ขั้วต่อรอง ทำให้เกิดความเสี่ยงร้ายแรงต่อไฟฟ้าช็อตโดยตรง เจ้าหน้าที่ซ่อมบำรุงและซ่อมแซมที่สัมผัสกับแรงดันไฟฟ้านี้โดยไม่มีข้อควรระวังอาจได้รับไฟฟ้าช็อต
2. ความเสียหายของอุปกรณ์:
การพังทลายของฉนวน: ไฟฟ้าแรงสูงจะพังฉนวนระหว่าง-การเลี้ยวและระหว่าง-ชั้นฉนวนของขดลวดทุติยภูมิก่อน หรือพังฉนวนลงกราวด์ในวงจรทุติยภูมิ ทำให้เกิดความเสียหายถาวรต่อหม้อแปลงกระแส (CT)
ความร้อนสูงเกินไปและความเหนื่อยหน่าย: เมื่อแกนเหล็กมีความอิ่มตัวสูง มันจะสร้างกระแสไหลวนขนาดใหญ่และการสูญเสียฮิสเทรีซิส ส่งผลให้แกนเหล็กร้อนเกินไป ซึ่งอาจทำให้ฉนวนของขดลวดไหม้และทำให้เกิดไฟไหม้ได้
อาร์คไฟฟ้าและการระเบิด: จุดวงจรเปิด (เช่น ขั้วต่อหลวม) จะสร้างอาร์คไฟฟ้าต่อเนื่องภายใต้ไฟฟ้าแรงสูง อุณหภูมิสูงของส่วนโค้งอาจทำให้อุปกรณ์ไหม้ ก่อให้เกิดการติดไฟได้รอบๆ และก๊าซอุณหภูมิสูง-ที่สะสมอยู่ในตู้ที่ปิดสนิทอาจทำให้เกิดการระเบิดทางไฟฟ้าได้

3. อันตรายจากการทำงานของระบบ
ความไม่ถูกต้องและความล้มเหลวในการวัดค่า: สำหรับมิเตอร์วัดพลังงานประเภท CT- กระแสไฟฟ้าอินพุตเป็นศูนย์จะทำให้ไม่สามารถวัดค่าไฟฟ้าได้ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียไฟฟ้าและอาจมีข้อพิพาทในการระงับข้อพิพาททางการค้า
การสร้างประกายไฟแรงดันไฟฟ้าสูง-ที่เป็นอันตราย: นี่ไม่ได้เป็นเพียงแหล่งกำเนิดประกายไฟเท่านั้น แต่พัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงที่เกิดขึ้นยังสามารถรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณใกล้เคียงได้
สรุป
วงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดการสะสมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดภัยพิบัติทางกายภาพในที่สุด เช่น ไฟฟ้าแรงสูง อาร์กไฟฟ้าแรง และความร้อนสูงเกินไป ดังนั้นในงานทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับวงจร CT จึงต้องปฏิบัติตาม "การป้องกันวงจรเปิด" อย่างเคร่งครัดเป็นขั้นตอน

ในขณะเดียวกันด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสที่เชื่อมต่อกับมิเตอร์ไฟฟ้าจะต้องต่อสายดิน สิ่งนี้ ควบคู่ไปกับ "การห้ามวงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิโดยเด็ดขาด" ถือเป็นกฎหลักสองข้อที่ยึดแน่นในการดำเนินงานและการบำรุงรักษา CT หลังจากต่อสายดินแล้ว ไฟฟ้าแรงสูงที่พุ่งเข้ามาสามารถระบายลงดินได้อย่างรวดเร็วผ่านสายดิน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อุปกรณ์หมดไฟหรืออุบัติเหตุไฟฟ้าช็อตที่เกิดจากศักยภาพด้านทุติยภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน





