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 dei trasformatori di corrente
Un trasformatore di corrente (CT) 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".
Struttura
È tipicamente costituito da un nucleo di ferro chiuso, un avvolgimento primario con un numero di spire relativamente piccolo (collegato in serie nel circuito principale) e un avvolgimento secondario con un numero di spire relativamente elevato (collegato al contatore elettrico).
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 a sua volta induce una corrente I2 sul lato secondario. Il rapporto tra i due è:
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
Dove N1 e N2 sono il numero di spire negli avvolgimenti primario e secondario e Im è la corrente di eccitazione. A causa della grande impedenza di eccitazione nel progetto, Im è estremamente piccolo, quindi in uno stato ideale può essere semplificato in:
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ oppure I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Qui Kn è il rapporto spire nominale, ad esempio 1000/5A. A questo punto, la grande corrente sul lato primario viene convertita accuratamente e proporzionalmente in una piccola corrente sul lato secondario (solitamente un valore standard di 5 A o 1 A) per una misurazione sicura da parte degli strumenti. Allo stesso tempo, il potenziale del circuito secondario del TA è molto basso (solitamente solo pochi volt), entro un intervallo di sicurezza.
Analisi dei principi del circuito aperto del circuito secondario
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 di lavoro | Normale chiuso | Circuito aperto secondario |
|---|---|---|
| Corrente secondaria I2 | Esiste, proporzionale a I1 | I2=0 |
| Flusso magnetico del nucleo Φ | Efficacemente soppresso dal flusso smagnetizzante generato da I2, mantenuto a un livello basso | Perde la soppressione e si satura rapidamente fino a raggiungere un valore estremamente elevato |
| Tensione secondaria U2 | Molto basso (diversi volt) | Induce un'alta tensione da migliaia a decine di migliaia di volt |
| Essenza fisica | Accoppiamento forte, feedback negativo profondo: I2 resiste fortemente al cambiamento di Φ | Interruzione del feedback-, accumulo di energia: tutti gli ampere{1}}spire primari I1N1 vengono utilizzati per l'eccitazione |
Il processo fisico principale è il seguente:
Scomparsa del feedback smagnetizzante
Durante il normale funzionamento, il flusso magnetico generato dalla corrente secondaria I2 è sempre in direzione opposta a quello generato dalla corrente primaria I1, creando un forte effetto "smagnetizzante" che confina a basso livello il flusso magnetico combinato nel nucleo. Dopo che il circuito è stato aperto, I2=0 e l'effetto smagnetizzante ritorna immediatamente a zero.
Rapida saturazione del flusso magnetico
Le ampere{0}}spire primarie I1 e N1, ora non vincolate, vengono interamente convertite in amperette-spire magnetizzanti. Poiché l'area della sezione trasversale- del nucleo è progettata per una bassa densità di flusso magnetico, il nucleo entra rapidamente in uno stato di profonda saturazione.
Secondo la legge di induzione elettromagnetica di Faraday, il flusso magnetico alternato induce una forza elettromotrice attraverso l'avvolgimento. Quando il flusso magnetico aumenta notevolmente, una tensione U2 estremamente elevata verrà indotta attraverso l'avvolgimento secondario.
Generazione di alta tensione
In condizioni di frequenza industriale, per una corrente primaria di diverse centinaia di ampere, la tensione indotta su un lato secondario del circuito aperto-può facilmente raggiungere diverse migliaia di volt e, in casi estremi, superare i 10 kilovolt.
Pericoli di circuito aperto sul lato secondario del trasformatore di corrente
L'alta tensione e i fenomeni associati generati da un circuito aperto sul lato secondario possono innescare una serie di reazioni di pericolo a catena.
Pericolo di scossa elettrica
La presenza di migliaia di volt di alta tensione sui terminali secondari costituisce direttamente un grave rischio di scossa elettrica. Il personale addetto alla manutenzione e alla riparazione che entra in contatto con questa tensione senza precauzioni può subire una scossa elettrica.
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: un punto di circuito aperto (come un terminale allentato) genererà un arco elettrico continuo ad alta tensione. L'elevata temperatura dell'arco potrebbe bruciare l'apparecchiatura, incendiare i combustibili circostanti e i gas ad alta-temperatura accumulati nell'armadio sigillato potrebbero addirittura causare un'esplosione elettrica.
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.
Conclusione
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, la "prevenzione di circuiti aperti" deve essere rigorosamente rispettata in tutti i lavori che coinvolgono i circuiti CT.
Contemporaneamente è necessario mettere a terra il lato secondario del trasformatore di corrente collegato al contatore elettrico. Queste, insieme al "vietato rigorosamente di circuiti aperti sul lato secondario", sono due ferree regole fondamentali per il funzionamento e la manutenzione dei TA. La messa a terra consente di scaricare rapidamente a terra eventuali sovratensioni ad alta tensione tramite un filo di terra, prevenendo aumenti improvvisi del potenziale secondario che potrebbero causare la bruciatura delle apparecchiature o scosse elettriche.