En los sistemas de medición y monitoreo de energía, los medidores de electricidad que requieren transformadores de corriente (CT) externos son omnipresentes; son nuestros "ojos" para detectar con precisión corrientes masivas. Sin embargo, dentro de este sofisticado sistema se esconde una regla férrea que debe seguirse en todo momento: el lado secundario del transformador de corriente nunca debe funcionar con un circuito abierto. Este artículo profundizará en los principios subyacentes y los peligros involucrados.
Principio de funcionamiento normal del transformador de corriente.
Un CT (transformador de corriente) es un tipo especial de transformador que funciona según el principio de inducción electromagnética. Sus principios básicos de diseño son "reducción de corriente" y "aislamiento".
1. Estructura: normalmente consta de un núcleo de hierro cerrado, un devanado primario con menos vueltas (conectado en serie en el circuito principal) y un devanado secundario con más vueltas (conectado al medidor de electricidad).
2. Estado ideal: en un circuito cerrado normal, el CT funciona aproximadamente en un estado de "cortocircuito-. Según la ley del circuito de Ampere y la ley de la inducción electromagnética, la corriente primaria I1 generará un flujo magnético alterno Φ en el núcleo de hierro, que luego inducirá una corriente I2 en el lado secundario. La relación entre ambos es la siguiente:
Donde N1 y N2 son el número de vueltas en los devanados primario y secundario, e Im es la corriente de excitación. Debido a la gran impedancia de excitación y al extremadamente pequeño Im en el diseño, se puede simplificar a lo siguiente en condiciones ideales:
Aquí, Kn se refiere a la relación de transformación nominal, como 1000/5A. En este caso, la corriente grande en el lado primario se convierte de manera precisa y proporcional en una corriente pequeña en el lado secundario (generalmente un valor estándar de 5 A o 1 A) para una medición segura del instrumento. Al mismo tiempo, el potencial del circuito secundario del transformador de corriente (CT) es muy bajo (normalmente sólo unos pocos voltios), dentro de un rango seguro.
Análisis de principios cuando el lado secundario está abierto.
Cuando el circuito secundario se abre debido a terminales sueltos, cables rotos o desconexión accidental durante la prueba, su estado operativo sufre un cambio catastrófico.
| Estado de funcionamiento | Cierre normal | Apertura de vía secundaria |
|
|
Existe, proporcional a I1 |
|
|
Φ |
Suprimido efectivamente por el flujo desmagnetizante generado por I2, manteniendo un nivel bajo | Pérdida de inhibición, saturación rápida a valores extremadamente altos. |
|
|
Muy bajo (varios voltios) | Se indujo un alto voltaje de miles o incluso decenas de miles de voltios. |
| naturaleza fisica | Acoplamiento fuerte, retroalimentación negativa profunda: I2 resiste fuertemente los cambios en Φ | Corte de retroalimentación y acumulación de energía: todas las vueltas primarias de amperaje-I1 y N1 se utilizan para la excitación. |
Sus procesos físicos centrales son los siguientes:
1: Desaparición de la retroalimentación desmagnetizante
Durante el funcionamiento normal, el flujo magnético generado por la corriente secundaria I2 siempre está en dirección opuesta al flujo magnético generado por la corriente primaria I1, creando un fuerte efecto "desmagnetizante" que limita el flujo magnético combinado en el núcleo de hierro a un nivel bajo. Después de abrir el circuito, I2=0, y el efecto desmagnetizador vuelve instantáneamente a cero.
2: Saturación rápida del flujo magnético.
Las vueltas de amperio-primarias desequilibradas I1 y N1 se convierten completamente en vueltas de amperio-magnetizantes. Dado que el área de la sección transversal-del núcleo está diseñada para una baja densidad de flujo magnético, el núcleo entra rápidamente en un estado de saturación profunda en este punto.
Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, el flujo magnético alterno inducirá una fuerza electromotriz a través del devanado. Cuando el flujo magnético aumenta bruscamente, se inducirá una tensión U2 extremadamente alta a través del devanado secundario.
3: Generación de alta presión
En condiciones de frecuencia eléctrica, para una corriente primaria de varios cientos de amperios, el voltaje inducido en el lado secundario del circuito abierto-puede alcanzar fácilmente varios miles de voltios y, en casos extremos, puede superar los 10 kilovoltios.
La norma nacional GB/T 20840.2-2014 "Transformadores de instrumentos - Parte 2: Requisitos técnicos suplementarios para transformadores de corriente" tiene requisitos estrictos para el rendimiento de aislamiento de los transformadores de instrumentos, y este alto voltaje repentino superó con creces su capacidad de diseño normal.
Peligros de circuito abierto en el lado secundario del transformador de corriente
El alto voltaje y los fenómenos que lo acompañan generados por un circuito secundario abierto pueden desencadenar una serie de reacciones en cadena de peligros.
1. Peligro de descarga eléctrica: Existen miles de voltios de alto voltaje en los terminales secundarios, lo que plantea directamente un riesgo grave de descarga eléctrica. El personal de mantenimiento y reparación que entre en contacto con este voltaje sin precauciones puede sufrir una descarga eléctrica.
2. Daños al equipo:
Rotura del aislamiento: el alto voltaje primero romperá el aislamiento entre-vueltas y entre-capas del devanado secundario, o romperá el aislamiento a tierra en el circuito secundario, lo que provocará daños permanentes al transformador de corriente (CT).
Sobrecalentamiento y desgaste: cuando el núcleo de hierro está muy saturado, generará enormes corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, lo que provocará que el núcleo de hierro se sobrecaliente, lo que puede quemar el aislamiento del devanado e incluso provocar un incendio.
Arco eléctrico y explosión: Los puntos de circuito abierto (como terminales sueltos) generarán un arco eléctrico continuo bajo alto voltaje. La alta temperatura del arco puede quemar el equipo, encender los combustibles circundantes y los gases de alta-temperatura acumulados en el gabinete sellado pueden incluso causar una explosión eléctrica.
3. Peligros de operación del sistema
Inexactitud y fallas en la medición: para los medidores de energía tipo CT-, una corriente de entrada cero los impedirá medir la electricidad, lo que resultará en pérdida de electricidad y posibles disputas de acuerdos comerciales.
Generación de chispas peligrosas de alto-voltaje: no solo es una fuente de ignición, sino que los fuertes pulsos electromagnéticos resultantes también pueden interferir con los equipos electrónicos cercanos.
Resumir
Un circuito abierto en el lado secundario de un transformador de corriente desencadena una acumulación violenta de energía electromagnética, lo que en última instancia resulta en una catástrofe física que se manifiesta como alto voltaje, fuertes arcos eléctricos y sobrecalentamiento. Por lo tanto, en todos los trabajos que involucren circuitos CT, se debe seguir estrictamente como procedimiento la "prevención de circuito abierto".
Mientras tanto, el lado secundario del transformador de corriente conectado al medidor de electricidad debe estar conectado a tierra. Esto, junto con "prohibir estrictamente los circuitos abiertos en el lado secundario", son las dos reglas fundamentales de operación y mantenimiento de CT. Después de la conexión a tierra, el alto voltaje que ha surgido se puede descargar rápidamente a tierra a través del cable de conexión a tierra, evitando quemaduras en el equipo o accidentes por descarga eléctrica causados por un aumento repentino en el potencial del lado secundario.