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 de los transformadores de corriente.
Un transformador de corriente (CT) 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".
Estructura
Por lo general, consta de un núcleo de hierro cerrado, un devanado primario con un número relativamente pequeño de vueltas (conectado en serie en el circuito principal) y un devanado secundario con un número relativamente grande de vueltas (conectado al medidor de electricidad).
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 a su vez induce una corriente I2 en el lado secundario. La relación entre ambos es:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
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 en el diseño, Im es extremadamente pequeño, por lo que, en un estado ideal, se puede simplificar a:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ o I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Aquí, Kn es la relación de vueltas nominal, por ejemplo, 1000/5A. En este momento, la corriente grande en el lado primario se convierte con precisión proporcionalmente en una corriente pequeña en el lado secundario (generalmente un valor estándar de 5 A o 1 A) para una medición segura mediante instrumentos. Al mismo tiempo, el potencial del circuito secundario del TC es muy bajo (normalmente sólo unos pocos voltios), dentro de un rango seguro.
Análisis de principios del circuito abierto del circuito secundario
Cuando el circuito secundario se abre debido a motivos como terminales sueltos, cables rotos o desconexión accidental durante la prueba, su estado operativo sufre un cambio catastrófico.
| Estado de trabajo | Normalmente cerrado | Circuito abierto secundario |
|---|---|---|
| Corriente secundaria I2 | Existe, proporcional a I1 | I2=0 |
| Flujo magnético del núcleo Φ | Suprimido efectivamente por el flujo desmagnetizante generado por I2, mantenido en un nivel bajo | Pierde supresión, se satura rápidamente a un valor extremadamente alto |
| Tensión secundaria U2 | Muy bajo (varios voltios) | Induce un alto voltaje de miles a incluso decenas de miles de voltios. |
| Esencia Física | Acoplamiento fuerte, retroalimentación negativa profunda: I2 resiste fuertemente el cambio de Φ | Corte-de retroalimentación, acumulación de energía: todas las vueltas de amperaje-primarias I1N1 se utilizan para la excitación. |
El proceso físico central es el siguiente:
Desaparición de la retroalimentación desmagnetizante
Durante el funcionamiento normal, el flujo magnético generado por la corriente secundaria I2 siempre está en la dirección opuesta a la generada por la corriente primaria I1, creando un fuerte efecto "desmagnetizante" que limita el flujo magnético combinado en el núcleo a un nivel bajo. Después de abrir el circuito, I2=0, y el efecto desmagnetizador vuelve instantáneamente a cero.
Rápida saturación del flujo magnético
Las vueltas de amperio-primarias I1 y N1, ahora libres, 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.
Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, el flujo magnético alterno induce una fuerza electromotriz a través del devanado. Cuando el flujo magnético aumenta dramáticamente, se inducirá un voltaje U2 extremadamente alto a través del devanado secundario.
Generación de Alto Voltaje
En condiciones de frecuencia eléctrica, para una corriente primaria de varios cientos de amperios, el voltaje inducido en un lado secundario de circuito abierto-puede alcanzar fácilmente varios miles de voltios y, en casos extremos, superar los 10 kilovoltios.
Peligros de circuito abierto en el lado secundario del transformador de corriente
La alta tensión y los fenómenos que la acompañan, generados por un circuito abierto en el lado secundario, pueden desencadenar una serie de reacciones en cadena de peligros.
Peligro de descarga eléctrica
La presencia de miles de voltios de alta tensión en los terminales secundarios constituye directamente un grave riesgo de descarga eléctrica. El personal de mantenimiento y reparación que entre en contacto con este voltaje sin precauciones puede sufrir una descarga eléctrica.
Daño 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 de 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: un punto de circuito abierto (como un terminal suelto) generará 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.
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.
Conclusión
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, se debe respetar estrictamente la "prevención de circuitos abiertos" en todos los trabajos que involucren circuitos CT.
Al mismo tiempo, se debe conectar a tierra el lado secundario del transformador de corriente conectado al contador de electricidad. Esto, junto con "prohibir estrictamente los circuitos abiertos en el lado secundario", son dos reglas fundamentales de operación y mantenimiento de CT. La conexión a tierra permite que cualquier sobretensión de alto voltaje se descargue rápidamente a tierra a través de un cable de conexión a tierra, evitando aumentos repentinos en el potencial secundario que podrían provocar quemaduras en el equipo o accidentes por descarga eléctrica.