Güç ölçüm ve izleme sistemlerinde, harici akım transformatörleri (CT'ler) gerektiren elektrik sayaçları her yerde bulunur; onlar bizim büyük akımları doğru bir şekilde algılamak için "gözlerimizdir". Ancak bu gelişmiş sistemin içinde her zaman uyulması gereken katı bir kural gizlidir: akım trafosunun sekonder tarafı asla açık devre ile çalıştırılmamalıdır. Bu makalede temel ilkeler ve ilgili tehlikeler ele alınacaktır.
Akım trafosunun normal çalışma prensibi
CT (Akım Trafosu), elektromanyetik indüksiyon prensibine göre çalışan özel bir transformatör türüdür. Temel tasarım ilkeleri "akım azaltma" ve "izolasyon"dur.
1. Yapı: Genellikle kapalı bir demir çekirdekten, daha az sarımlı bir birincil sargıdan (ana devrede seri olarak bağlanmış) ve daha fazla sarımlı bir ikincil sargıdan (elektrik sayacına bağlı) oluşur.
2. İdeal Durum: Normal bir kapalı devrede CT yaklaşık olarak "kısa-devre" durumunda çalışır. Ampere devre yasasına ve elektromanyetik indüksiyon yasasına göre, birincil akım I1, demir çekirdekte alternatif bir manyetik akı Φ üretecek ve bu daha sonra ikincil tarafta bir I2 akımını indükleyecektir. İkisi arasındaki ilişki şu şekildedir:
N1 ve N2, birincil ve ikincil sargılardaki sarım sayısıdır ve Im, uyarma akımıdır. Tasarımdaki çok büyük uyarma empedansı ve son derece küçük Im nedeniyle, ideal koşullar altında aşağıdaki şekilde basitleştirilebilir:
Burada Kn, 1000/5A gibi nominal dönüşüm oranını ifade eder. Bu durumda, güvenli cihaz ölçümü için birincil taraftaki büyük akım, ikincil taraftaki küçük bir akıma (tipik olarak 5A veya 1A standart değeri) hassas ve orantılı bir şekilde dönüştürülür. Aynı zamanda, akım transformatörünün (CT) sekonder devre potansiyeli güvenli bir aralık dahilinde çok düşüktür (genellikle sadece birkaç volt).
İkincil taraf açıkken prensip analizi
İkincil devre, gevşek terminaller, kopmuş kablolar veya test sırasında kazara bağlantının kesilmesi nedeniyle açıldığında, çalışma durumu felaketle sonuçlanacak bir değişime uğrar.
| Çalışma durumu | Normal kapatma | İkincil yol açılışı |
|
|
Var, I1 ile orantılı |
|
|
Φ |
I2 tarafından üretilen manyetikliği giderici akı tarafından etkili bir şekilde bastırılır ve düşük seviye korunur | İnhibisyon kaybı, aşırı yüksek değerlere hızlı doygunluk |
|
|
Çok düşük (birkaç volt) | Binlerce, hatta onbinlerce voltluk yüksek voltaj indüklendi. |
| Fiziksel doğa | Güçlü bağlantı, derin negatif geri besleme: I2, Φ'deki değişikliklere güçlü bir şekilde direnir | Geri bildirimin kesilmesi ve enerji birikimi: Tüm birincil amper-dönüşler I1 ve N1, uyarma için kullanılır. |
Temel fiziksel süreçleri aşağıdaki gibidir:
1: Demanyetizasyon Geri Bildiriminin Kaybolması
Normal çalışma sırasında, ikincil akım I2 tarafından üretilen manyetik akı her zaman birincil akım I1 tarafından üretilen manyetik akıya ters yöndedir ve demir çekirdekteki birleşik manyetik akıyı düşük bir seviyede sınırlayan güçlü bir "demanyetizasyon" etkisi yaratır. Devre açıldıktan sonra I2=0 ve mıknatıslığı giderme etkisi anında sıfıra döner.
2: Manyetik akının hızlı doygunluğu
Dengesiz birincil amper-dönüşler I1 ve N1 tamamen mıknatıslayıcı amper-dönüşlere dönüştürülür. Çekirdek kesit alanı-düşük manyetik akı yoğunluğu için tasarlandığından, çekirdek bu noktada hızla derin bir doyum durumuna girer.
Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasasına göre, alternatif manyetik akı, sarım boyunca bir elektromotor kuvveti indükleyecektir. Manyetik akı keskin bir şekilde arttığında, sekonder sargı boyunca son derece yüksek bir U2 voltajı indüklenecektir.
3: Yüksek basınç oluşması
Güç frekansı koşullarında, birkaç yüz amperlik bir birincil akım için, açık-devrenin ikincil tarafında indüklenen voltaj kolaylıkla birkaç bin volta ulaşabilir ve aşırı durumlarda 10 kilovoltu aşabilir.
Ulusal standart GB/T 20840.2-2014 "Gösterge Transformatörleri - Bölüm 2: Akım Transformatörleri için Ek Teknik Gereksinimler", gösterge transformatörlerinin yalıtım performansına ilişkin katı gereksinimlere sahiptir ve bu ani yüksek voltaj, normal tasarım kapasitesini çok aşmıştır.
Akım trafosunun sekonder tarafında açık devre tehlikesi
İkincil açık devre tarafından üretilen yüksek voltaj ve buna eşlik eden olaylar, bir dizi zincirleme tehlike reaksiyonunu tetikleyebilir.
1. Elektrik Çarpması Tehlikesi: Sekonder terminallerde binlerce volt yüksek gerilim mevcut olup, doğrudan ciddi elektrik çarpması riski oluşturmaktadır. Önlem alınmadan bu gerilime temas eden bakım ve onarım personeli elektrik çarpmasına maruz kalabilir.
2. Ekipman Hasarı:
Yalıtım Bozulması: Yüksek voltaj öncelikle sekonder sargının ara-döngüler arası ve ara-katmanlar arası izolasyonunu bozar veya sekonder devredeki toprağa giden izolasyonu bozarak akım trafosunda (CT) kalıcı hasara yol açar.
Aşırı Isınma ve Tükenme: Demir çekirdek yüksek oranda doymuş olduğunda, büyük girdap akımları ve histerezis kayıpları üreterek demir çekirdeğin aşırı ısınmasına neden olur, bu da sargı yalıtımını yakabilir ve hatta yangına neden olabilir.
Elektrik Ark ve Patlama: Açık devre noktaları (gevşek terminaller gibi) yüksek voltaj altında sürekli bir elektrik arkı üretecektir. Arkın yüksek sıcaklığı ekipmanı yakabilir, çevredeki yanıcı maddeleri tutuşturabilir ve kapalı kabinde biriken-yüksek sıcaklıktaki gazlar elektrik patlamasına bile neden olabilir.
3. Sistem Çalışma Tehlikeleri
Ölçüm Yanlışlığı ve Arızası: CT-tipi enerji sayaçları için sıfır giriş akımı, bunların elektriği ölçememesine neden olacak, bu da elektrik kaybına ve olası ticari uzlaşma anlaşmazlıklarına yol açacaktır.
Tehlikeli Yüksek-Voltajlı Kıvılcımların Üretilmesi: Bu yalnızca bir ateşleme kaynağı değildir, aynı zamanda ortaya çıkan güçlü elektromanyetik darbeler, yakındaki elektronik ekipmanlara da müdahale edebilir.
Özetle
Akım trafosunun sekonder tarafındaki açık devre, şiddetli bir elektromanyetik enerji birikimini tetikler ve sonuçta yüksek voltaj, güçlü elektrik arkları ve aşırı ısınma olarak ortaya çıkan fiziksel bir felaketle sonuçlanır. Bu nedenle CT devrelerini içeren tüm çalışmalarda "açık devre önleme" prosedürüne sıkı sıkıya uyulmalıdır.
Bu arada elektrik sayacına bağlanan akım trafosunun sekonder tarafının topraklanması gerekmektedir. Bu, "ikincil taraftaki açık devrelerin kesinlikle yasaklanması" ile birlikte CT işletimi ve bakımının iki temel katı kuralıdır. Topraklamadan sonra, yükselen yüksek voltaj, topraklama kablosu aracılığıyla hızlı bir şekilde toprağa boşaltılabilir, böylece ekipmanın yanması veya ikincil taraf potansiyelindeki ani bir yükselişin neden olduğu elektrik çarpması kazaları önlenir.