Nei sistemi di misurazione e monitoraggio dell'energia, i contatori di energia che richiedono trasformatori di corrente esterni (TA) sono onnipresenti; sono i nostri "occhi" per rilevare con precisione grandi correnti. Tuttavia, all'interno di questo sofisticato sistema si trova una regola fondamentale che deve essere sempre rispettata: il lato secondario del trasformatore di corrente non deve mai essere utilizzato in una condizione di circuito-aperto. Questo articolo approfondirà i principi e i pericoli dietro questa regola.
Il normale principio di funzionamento di un trasformatore di corrente
Un trasformatore di corrente (CT) è un tipo speciale di trasformatore che funziona in base al principio dell'induzione elettromagnetica. Il suo design principale si concentra sulla "riduzione della corrente" e sull'"isolamento".
1. Struttura: è tipicamente costituita da un nucleo di ferro chiuso, un avvolgimento primario con meno spire (collegato in serie al circuito principale) e un avvolgimento secondario con più spire (collegato al contatore di energia).
2. Stato ideale: in un circuito normalmente 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 genera un flusso magnetico alternato Φ nel nucleo di ferro, che a sua volta induce una corrente I2 nel lato secondario. La relazione tra loro è:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
dove N1 e N2 sono il numero di spire degli avvolgimenti primario e secondario e Im è la corrente di eccitazione. A causa della grande impedenza di eccitazione nel progetto, Im è molto piccolo, quindi nel caso ideale può essere semplificato in:
Qui Kn è il rapporto di trasformazione 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 dello strumento. Allo stesso tempo, il potenziale del circuito secondario del TA è molto basso (di solito solo pochi volt), cioè entro un intervallo di sicurezza.
Analisi di principio quando il lato secondario è a circuito 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.
| Condizioni operative | Normalmente chiuso | Circuito aperto secondario |
|---|---|---|
| Corrente secondaria I₂ |
Presente, proporzionale a I₁ | I₂ = 0 |
| Flusso magnetico del nucleo Φ |
Il flusso smagnetizzante prodotto da I₂ sopprime efficacemente il flusso del nucleo, mantenendolo a un livello basso | La soppressione è persa; il flusso si satura rapidamente fino a raggiungere un livello estremamente elevato |
| Tensione secondaria U₂ |
Molto basso (pochi volt) | Alta tensione indotta nell'intervallo da diversi kilovolt fino a decine di kilovolt |
| Natura fisica | Accoppiamento forte, feedback profondamente negativo: I₂ si oppone fortemente ai cambiamenti di Φ | Feedback interrotto, accumulo di energia: tutte le ampere{0}}spire primarie (I₁N₁) vengono utilizzate per la magnetizzazione |
I 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 in direzione opposta al flusso magnetico generato dalla corrente primaria I1, creando un forte effetto "smagnetizzante" che limita a un livello basso il flusso magnetico risultante nel nucleo di ferro. Dopo che il circuito è stato aperto, I2=0 e l'effetto smagnetizzante scende immediatamente a zero.
2. Rapida saturazione del flusso magnetico:Le ampere{0}}spire primarie sbilanciate I1N1 vengono interamente convertite in emozionanti ampere-spire. Poiché l'area della sezione trasversale- del nucleo di ferro è progettata per una bassa densità di flusso magnetico, il nucleo di ferro 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 gli avvolgimenti. Con il rapido aumento del flusso magnetico, attraverso l'avvolgimento secondario verrà indotta una tensione U2 estremamente elevata.
3. Generazione di alta tensione:In condizioni di frequenza industriale, per una corrente primaria di diverse centinaia di ampere, la tensione indotta sul lato secondario a circuito aperto-può facilmente raggiungere diverse migliaia di volt e, in casi estremi, può superare i 10 kilovolt.
I pericoli di un circuito aperto sul lato secondario di un trasformatore di corrente.
L'alta tensione e i fenomeni associati causati da un circuito secondario aperto-possono innescare una serie di rischi di reazioni-a catena.
1. Rischio di scosse elettriche per il personale
Sui terminali del cablaggio secondario sono presenti migliaia di volt di alta tensione, che creano direttamente un grave rischio di scossa elettrica. Il personale addetto alla manutenzione e all'ispezione potrebbe subire scosse elettriche se tocca accidentalmente questi terminali senza un'adeguata protezione.
2. Danni all'attrezzatura
● Rottura dell'isolamento: L'alta tensione perfetterà innanzitutto l'isolamento tra le spire dell'avvolgimento secondario, tra gli strati, o l'isolamento tra il circuito secondario e la terra, provocando un danno permanente del TA.
● Surriscaldamento e bruciore: Quando il nucleo diventa altamente saturo, genera enormi correnti parassite e perdite per isteresi, causando il surriscaldamento del nucleo. Ciò potrebbe bruciare l'isolamento dell'avvolgimento e persino provocare un incendio.
● Arco ed esplosione: I punti di circuito-aperto (come terminali allentati) genereranno archi sostenuti sotto alta tensione. L'elevata temperatura degli archi può danneggiare le apparecchiature, incendiare i materiali combustibili circostanti e il gas ad alta temperatura accumulato-negli armadi chiusi può persino causare un'esplosione elettrica.
3. Pericoli per il funzionamento del sistema
Perdita e guasto della misurazione: per i contatori elettrici di tipo CT-, la corrente in ingresso diventa zero, rendendoli incapaci di misurare l'elettricità. Ciò porta alla perdita dell’elettricità misurata e può innescare controversie sugli accordi commerciali.
Pericolose scintille ad alta-tensione: non solo agiscono come fonte di accensione, ma gli intensi impulsi elettromagnetici che generano possono anche interferire con le apparecchiature elettroniche vicine.
Conclusione
Un circuito aperto sul lato secondario di un trasformatore di corrente (CT) innesca un violento accumulo di energia elettromagnetica, che alla fine viene rilasciata sotto forma di alta tensione, forti archi e surriscaldamento: un processo fisico catastrofico. Pertanto, in tutti i lavori che coinvolgono i circuiti TA, la "prevenzione dei circuiti aperti" deve essere una procedura rigorosamente seguita.
Allo stesso tempo il lato secondario del trasformatore di corrente collegato al contatore di energia 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. La messa a terra consente all'alta tensione di essere scaricata rapidamente a terra attraverso il filo di terra, prevenendo un aumento improvviso del potenziale del lato secondario che potrebbe causare danni alle apparecchiature o scosse elettriche.