Nei sistemi di misurazione e monitoraggio dell'energia, i contatori elettrici che richiedono trasformatori di corrente esterni (TA) sono onnipresenti; sono i nostri "occhi" per rilevare con precisione le correnti massicce. Ma all'interno di questo sofisticato sistema si nasconde una regola ferrea che deve essere sempre rispettata: il lato secondario del trasformatore di corrente non deve mai funzionare a circuito aperto. Questo articolo approfondirà i principi sottostanti e i pericoli connessi.
Principio di funzionamento normale del trasformatore di corrente
Un CT (Current Transformer) è un tipo speciale di trasformatore che funziona in base al principio dell'induzione elettromagnetica. I suoi principi fondamentali di progettazione sono la "riduzione della corrente" e l'"isolamento".
1. Struttura: è tipicamente costituita da un nucleo di ferro chiuso, un avvolgimento primario con meno spire (collegato in serie nel circuito principale) e un avvolgimento secondario con più spire (collegato al contatore elettrico).
2. Stato ideale: in un normale circuito chiuso, il TA funziona approssimativamente in uno stato di "corto-circuito". Secondo la legge circuitale di Ampere e la legge dell'induzione elettromagnetica, la corrente primaria I1 genererà un flusso magnetico alternato Φ nel nucleo di ferro, che poi indurrà una corrente I2 sul lato secondario. Il rapporto tra i due è il seguente:
Dove N1 e N2 sono il numero di spire negli avvolgimenti primario e secondario e Im è la corrente di eccitazione. A causa dell'impedenza di eccitazione molto elevata e dell'Im estremamente piccola nella progettazione, in condizioni ideali può essere semplificato come segue:
Qui Kn si riferisce al rapporto di trasformazione nominale, ad esempio 1000/5A. In questo caso, la grande corrente sul lato primario viene convertita in modo preciso e proporzionale in una piccola corrente sul lato secondario (tipicamente un valore standard di 5 A o 1 A) per una misurazione sicura dello strumento. Allo stesso tempo, il potenziale del circuito secondario del trasformatore di corrente (CT) è molto basso (solitamente solo pochi volt), entro un intervallo di sicurezza.
Analisi di principio quando il lato secondario è aperto
Quando il circuito secondario si apre a causa di terminali allentati, fili rotti o disconnessione accidentale durante il test, il suo stato operativo subisce un cambiamento catastrofico.
| Stato operativo | Chiusura normale | Apertura strada secondaria |
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Esiste, proporzionale a I1 |
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Φ |
Efficacemente soppresso dal flusso smagnetizzante generato da I2, mantenendo un livello basso | Perdita di inibizione, saturazione rapida a valori estremamente elevati |
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Molto basso (diversi volt) | È stata indotta un'alta tensione di migliaia o addirittura decine di migliaia di volt. |
| Natura fisica | Accoppiamento forte, feedback negativo profondo: I2 resiste fortemente ai cambiamenti di Φ | Interruzione del feedback e accumulo di energia: tutte le -spire primarie I1 e N1 vengono utilizzate per l'eccitazione. |
I suoi processi fisici principali sono i seguenti:
1: Scomparsa del feedback smagnetizzante
Durante il normale funzionamento, il flusso magnetico generato dalla corrente secondaria I2 è sempre nella direzione opposta al flusso magnetico generato dalla corrente primaria I1, creando un forte effetto "smagnetizzante" che confina il flusso magnetico combinato nel nucleo di ferro a un livello basso. Dopo che il circuito è stato aperto, I2=0 e l'effetto smagnetizzante ritorna immediatamente a zero.
2: Rapida saturazione del flusso magnetico
Le ampere{0}}spire primarie sbilanciate I1 e N1 vengono interamente convertite in amperette-spire magnetizzanti. Poiché l'area della sezione trasversale- del nucleo è progettata per una bassa densità di flusso magnetico, a questo punto il nucleo entra rapidamente in uno stato di profonda saturazione.
Secondo la legge di induzione elettromagnetica di Faraday, il flusso magnetico alternato indurrà una forza elettromotrice attraverso l'avvolgimento. Quando il flusso magnetico aumenta bruscamente, attraverso l'avvolgimento secondario verrà indotta una tensione U2 estremamente elevata.
3: Generazione di alta pressione
In condizioni di frequenza industriale, per una corrente primaria di diverse centinaia di ampere, la tensione indotta sul lato secondario del circuito aperto-può facilmente raggiungere diverse migliaia di volt e, in casi estremi, può superare i 10 kilovolt.
Lo standard nazionale GB/T 20840.2-2014 "Trasformatori di strumenti - Parte 2: Requisiti tecnici supplementari per trasformatori di corrente" prevede requisiti rigorosi per le prestazioni di isolamento dei trasformatori di strumenti e questa alta tensione improvvisa ha superato di gran lunga la normale capacità di progettazione.
Rischi di circuito aperto sul lato secondario del trasformatore di corrente
L'alta tensione e i fenomeni associati generati da un circuito secondario aperto possono innescare una serie di reazioni di pericolo a catena.
1. Pericolo di scossa elettrica: sui terminali secondari sono presenti migliaia di volt di alta tensione, che rappresentano un grave rischio di scossa elettrica. Il personale addetto alla manutenzione e alle riparazioni che entra in contatto con questa tensione senza precauzioni può subire una scossa elettrica.
2. Danni all'attrezzatura:
Rottura dell'isolamento: l'alta tensione rompe innanzitutto l'isolamento inter-gira e inter-strato dell'avvolgimento secondario oppure rompe l'isolamento verso terra nel circuito secondario, provocando danni permanenti al trasformatore di corrente (CT).
Surriscaldamento e esaurimento: quando il nucleo di ferro è altamente saturo, genererà enormi correnti parassite e perdite per isteresi, causando il surriscaldamento del nucleo di ferro, che potrebbe bruciare l'isolamento dell'avvolgimento e persino causare un incendio.
Arco elettrico ed esplosione: i punti di circuito aperto (come terminali allentati) genereranno un arco elettrico continuo ad alta tensione. L'elevata temperatura dell'arco può bruciare le apparecchiature, incendiare i combustibili circostanti e i gas ad alta-temperatura accumulati nell'armadio sigillato potrebbero persino causare un'esplosione elettrica.
3. Pericoli legati al funzionamento del sistema
Imprecisioni e guasti nella misurazione: per i contatori di energia di tipo CT-, una corrente in ingresso pari a zero li renderà incapaci di misurare l'elettricità, con conseguente perdita di elettricità e potenziali controversie per la risoluzione commerciale.
Generazione di pericolose scintille ad alta-tensione: questa non è solo una fonte di accensione, ma i forti impulsi elettromagnetici risultanti possono anche interferire con le apparecchiature elettroniche vicine.
Riassumere
Un circuito aperto sul lato secondario di un trasformatore di corrente innesca un violento accumulo di energia elettromagnetica, che alla fine provoca una catastrofe fisica che si manifesta con alta tensione, forti archi elettrici e surriscaldamento. Pertanto, in tutti i lavori che coinvolgono i circuiti TA, la procedura di "prevenzione del circuito aperto" deve essere rigorosamente rispettata.
Nel frattempo, il lato secondario del trasformatore di corrente collegato al contatore elettrico deve essere messo a terra. Queste, insieme al "divieto severo di circuiti aperti sul lato secondario", sono le due ferree regole fondamentali per il funzionamento e la manutenzione dei TA. Dopo la messa a terra, l'alta tensione che si è accumulata può essere rapidamente scaricata a terra attraverso il filo di terra, evitando bruciature dell'apparecchiatura o scosse elettriche causate da un improvviso aumento del potenziale del lato secondario.