ในระบบวัดและติดตามกำลังไฟฟ้า มิเตอร์วัดพลังงานที่ต้องใช้หม้อแปลงกระแสภายนอก (CT) มีอยู่ทั่วไปทุกหนทุกแห่ง พวกเขาคือ "ดวงตา" ของเราในการตรวจจับกระแสน้ำขนาดใหญ่อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ภายในระบบที่ซับซ้อนนี้มีกฎสำคัญที่ต้องปฏิบัติตามเสมอ นั่นคือด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้าจะต้องไม่ทำงานในสภาวะวงจรเปิด- บทความนี้จะเจาะลึกถึงหลักการและอันตรายเบื้องหลังกฎนี้
หลักการทำงานปกติของหม้อแปลงกระแส
หม้อแปลงกระแส (CT) เป็นหม้อแปลงชนิดพิเศษที่ทำงานตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบหลักมุ่งเน้นไปที่ "การลดกระแส" และ "การแยกตัว"
1. โครงสร้าง: โดยทั่วไปจะประกอบด้วยแกนเหล็กปิด ขดลวดปฐมภูมิที่มีรอบน้อยกว่า (เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับวงจรหลัก) และขดลวดทุติยภูมิที่มีรอบมากขึ้น (เชื่อมต่อกับเครื่องวัดพลังงาน)
2. สถานะในอุดมคติ: ในวงจรปิดตามปกติ CT ทำงานในสถานะ "ลัดวงจร" โดยประมาณ ตามกฎวงจรของแอมแปร์และกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าปฐมภูมิ I1 จะสร้างฟลักซ์แม่เหล็กสลับ Φ ในแกนเหล็ก ซึ่งจะเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า I2 ในด้านทุติยภูมิ ความสัมพันธ์ระหว่างพวกเขาคือ:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
โดยที่ N1 และ N2 คือจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ และ Im คือกระแสกระตุ้น เนื่องจากการออกแบบมีความต้านทานการกระตุ้นสูง Im จึงมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นในกรณีที่เหมาะสมอย่างยิ่ง จึงสามารถทำให้ง่ายขึ้นดังนี้:
โดยที่ Kn คืออัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่กำหนด เช่น 1000/5A ในเวลานี้ กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ด้านปฐมภูมิจะถูกแปลงเป็นกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กที่ด้านทุติยภูมิอย่างแม่นยำและเป็นสัดส่วน (โดยปกติจะเป็นค่ามาตรฐาน 5A หรือ 1A) เพื่อการวัดที่ปลอดภัยด้วยเครื่องมือ ในขณะเดียวกัน ศักยภาพของวงจรทุติยภูมิของ CT นั้นต่ำมาก (โดยปกติจะมีเพียงไม่กี่โวลต์) ซึ่งอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย
การวิเคราะห์หลักการเมื่อด้านรองเปิด-วงจร
เมื่อวงจรทุติยภูมิเปิดเนื่องจากขั้วต่อหลวม สายไฟขาด หรือการหลุดโดยไม่ตั้งใจระหว่างการทดสอบ สถานะการทำงานของวงจรจะเกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่
| สภาพการทำงาน | ปกติปิด | วงจรเปิดรอง |
|---|---|---|
| กระแสทุติยภูมิ I₂ |
ปัจจุบันเป็นสัดส่วนกับ I₁ | I₂ = 0 |
| แกนแม่เหล็กฟลักซ์ Φ |
ฟลักซ์ล้างอำนาจแม่เหล็กที่ผลิตโดย I₂ จะยับยั้งฟลักซ์แกนกลางได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยคงระดับไว้ต่ำ | การปราบปรามหายไป ฟลักซ์จะอิ่มตัวอย่างรวดเร็วจนถึงระดับที่สูงมาก |
| แรงดันไฟฟ้าทุติยภูมิ U₂ |
ต่ำมาก (ไม่กี่โวลต์) | ทำให้เกิดไฟฟ้าแรงสูงในช่วงหลายกิโลโวลต์ถึงหลายสิบกิโลโวลต์ |
| ธรรมชาติทางกายภาพ | การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง การตอบรับเชิงลบอย่างลึกซึ้ง: I₂ ต่อต้านการเปลี่ยนแปลงใน Φ อย่างยิ่ง | กระแสป้อนกลับถูกขัดจังหวะ การสะสมพลังงาน: กระแสแอมแปร์หลักทั้งหมด-รอบ (I₁N₁) ใช้สำหรับการทำให้เป็นแม่เหล็ก |
กระบวนการทางกายภาพหลักมีดังนี้👇:
1. การหายไปของข้อเสนอแนะการล้างอำนาจแม่เหล็ก:ในระหว่างการทำงานปกติ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสทุติยภูมิ I2 จะตรงกันข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสปฐมภูมิ I1 เสมอ ทำให้เกิด "การลดอำนาจแม่เหล็ก" อย่างแรง ซึ่งจะจำกัดฟลักซ์แม่เหล็กที่เป็นผลลัพธ์ในแกนเหล็กให้อยู่ในระดับต่ำ หลังจากเปิดวงจรแล้ว I2=0 และผลการลดอำนาจแม่เหล็กจะลดลงเหลือศูนย์ทันที
2. ความอิ่มตัวของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างรวดเร็ว:กระแสแอมแปร์หลักที่ไม่สมดุล-รอบ I1N1 จะถูกแปลงเป็นกระแสแอมแปร์ที่น่าตื่นเต้นทั้งหมด- เนื่องจากพื้นที่หน้าตัดของแกนเหล็ก-ได้รับการออกแบบให้มีความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กต่ำ แกนเหล็กจึงเข้าสู่สภาวะอิ่มตัวลึกอย่างรวดเร็ว
ตามกฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์ ฟลักซ์แม่เหล็กสลับจะเหนี่ยวนำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าผ่านขดลวด ด้วยฟลักซ์แม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว แรงดันไฟฟ้า U2 ที่สูงมากจะถูกเหนี่ยวนำให้เคลื่อนผ่านขดลวดทุติยภูมิ
3. การสร้างไฟฟ้าแรงสูง:ภายใต้เงื่อนไขความถี่กำลัง สำหรับกระแสไฟฟ้าหลักหลายร้อยแอมแปร์ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ด้านทุติยภูมิที่เปิด-สามารถสูงถึงหลายพันโวลต์ได้อย่างง่ายดาย และในกรณีที่รุนแรง อาจเกิน 10 กิโลโวลต์
อันตรายจากวงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแส
ไฟฟ้าแรงสูงและปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องซึ่งเกิดจากวงจรเปิด-รองสามารถกระตุ้นให้เกิดอันตรายจากปฏิกิริยาลูกโซ่-ได้
1. ความเสี่ยงจากไฟฟ้าช็อตต่อบุคลากร
มีแรงดันไฟฟ้าแรงสูงหลายพันโวลต์ที่ขั้วต่อสายไฟสำรอง ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อไฟฟ้าช็อตอย่างรุนแรง เจ้าหน้าที่บำรุงรักษาและตรวจสอบอาจได้รับไฟฟ้าช็อตหากสัมผัสขั้วต่อเหล่านี้โดยไม่ได้ตั้งใจโดยไม่มีการป้องกันที่เหมาะสม
2. ความเสียหายของอุปกรณ์
● การพังทลายของฉนวน: ไฟฟ้าแรงสูงจะกั้นฉนวนระหว่างรอบขดลวดทุติยภูมิ ระหว่างชั้น หรือฉนวนระหว่างวงจรทุติยภูมิกับกราวด์ก่อน นำไปสู่ความเสียหายถาวรของ CT
● ความร้อนสูงเกินไปและการเผาไหม้: หลังจากที่แกนกลางมีความอิ่มตัวสูง มันจะสร้างกระแสไหลวนจำนวนมหาศาลและการสูญเสียฮิสเทรีซีส ทำให้แกนกลางเกิดความร้อนมากเกินไป สิ่งนี้อาจทำให้ฉนวนที่คดเคี้ยวไหม้และอาจก่อให้เกิดไฟไหม้ได้
● ส่วนโค้งและการระเบิด: จุดวงจรเปิด- (เช่น ขั้วต่อหลวม) จะสร้างส่วนโค้งต่อเนื่องภายใต้ไฟฟ้าแรงสูง อุณหภูมิสูงของส่วนโค้งสามารถสร้างความเสียหายให้กับอุปกรณ์ ทำให้เกิดประกายไฟกับวัสดุที่ติดไฟได้โดยรอบ และก๊าซอุณหภูมิสูง-ที่สะสมอยู่ในตู้แบบปิดอาจทำให้เกิดการระเบิดทางไฟฟ้าได้
3. อันตรายต่อการทำงานของระบบ
การสูญเสียและความล้มเหลวในการวัด: สำหรับมิเตอร์ไฟฟ้าประเภท CT- กระแสอินพุตจะกลายเป็นศูนย์ ทำให้ไม่สามารถวัดไฟฟ้าได้ สิ่งนี้นำไปสู่การสูญเสียไฟฟ้าตามมิเตอร์และอาจทำให้เกิดข้อพิพาทเรื่องการยุติการค้า
ประกายไฟแรงดันไฟฟ้าสูง-ที่เป็นอันตราย: ประกายไฟเหล่านี้ไม่เพียงแต่ทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดประกายไฟเท่านั้น แต่พัลส์แม่เหล็กไฟฟ้าที่รุนแรงที่เกิดขึ้นยังสามารถรบกวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณใกล้เคียงได้อีกด้วย
บทสรุป
วงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสไฟฟ้า (CT) ทำให้เกิดการสะสมของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างรุนแรง ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะถูกปล่อยออกมาในรูปของไฟฟ้าแรงสูง ส่วนโค้งที่รุนแรง และความร้อนสูงเกินไป ซึ่งเป็นกระบวนการที่ก่อให้เกิดหายนะทางกายภาพ ดังนั้นในงานทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับวงจร CT "การป้องกันวงจรเปิด" จะต้องปฏิบัติตามขั้นตอนอย่างเคร่งครัด
ในเวลาเดียวกันด้านทุติยภูมิของหม้อแปลงกระแสที่เชื่อมต่อกับเครื่องวัดพลังงานจะต้องต่อสายดิน สิ่งนี้ ควบคู่ไปกับ "การห้ามวงจรเปิดที่ด้านทุติยภูมิโดยเด็ดขาด" ถือเป็นกฎหลักสองข้อที่ยึดแน่นสำหรับการใช้งานและการบำรุงรักษา CT การต่อสายดินช่วยให้แรงดันไฟฟ้าสูงถูกระบายลงกราวด์อย่างรวดเร็วผ่านสายดิน ป้องกันการเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันของศักย์ไฟฟ้าด้านทุติยภูมิที่อาจทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือเกิดอุบัติเหตุไฟฟ้าช็อต