Trong các hệ thống giám sát và đo lường điện, các công tơ điện yêu cầu máy biến dòng điện bên ngoài (CT) rất phổ biến; chúng là "đôi mắt" của chúng ta để cảm nhận chính xác các dòng điện lớn. Tuy nhiên, ẩn bên trong hệ thống phức tạp này là một quy tắc chắc chắn phải luôn được tuân theo: phía thứ cấp của máy biến dòng không bao giờ được vận hành với mạch hở. Bài viết này sẽ đi sâu vào các nguyên tắc cơ bản và những nguy hiểm liên quan.
Nguyên lý hoạt động bình thường của máy biến dòng
CT (Máy biến dòng) là loại máy biến áp đặc biệt hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Nguyên tắc thiết kế cốt lõi của nó là "giảm dòng điện" và "cách ly".
1. Cấu tạo: Thường gồm một lõi sắt kín, cuộn sơ cấp ít vòng dây hơn (nối nối tiếp trong mạch chính) và cuộn thứ cấp nhiều vòng dây hơn (nối vào công tơ điện).
2. Trạng thái lý tưởng: Trong mạch kín bình thường, CT hoạt động ở trạng thái gần như "ngắn mạch". Theo định luật Ampe và định luật cảm ứng điện từ, dòng điện sơ cấp I1 sẽ tạo ra từ thông xoay chiều Φ trong lõi sắt, sau đó sẽ sinh ra dòng điện I2 ở phía thứ cấp. Mối quan hệ giữa hai người như sau:
Trong đó N1 và N2 là số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp, Im là dòng điện kích thích. Do trở kháng kích thích rất lớn và Im cực kỳ nhỏ trong thiết kế, nên nó có thể được đơn giản hóa như sau trong điều kiện lý tưởng:
Ở đây, Kn đề cập đến tỷ số biến đổi định mức, chẳng hạn như 1000/5A. Trong trường hợp này, dòng điện lớn ở phía sơ cấp được chuyển đổi chính xác và cân đối thành dòng điện nhỏ ở phía thứ cấp (thường là giá trị tiêu chuẩn là 5A hoặc 1A) để đo lường thiết bị an toàn. Đồng thời, điện thế mạch thứ cấp của máy biến dòng (CT) rất thấp (thường chỉ vài volt), nằm trong phạm vi an toàn.
Phân tích nguyên lý khi phía thứ cấp mở
Khi mạch thứ cấp bị hở do các đầu nối bị lỏng, dây bị đứt hoặc vô tình ngắt kết nối trong quá trình thử nghiệm, trạng thái hoạt động của nó sẽ trải qua một sự thay đổi nghiêm trọng.
| Trạng thái hoạt động | Đóng cửa bình thường | Mở đường phụ |
|
|
Tồn tại, tỉ lệ với I1 |
|
|
Φ |
Bị triệt tiêu hiệu quả bởi dòng khử từ do I2 tạo ra, duy trì mức độ thấp | Mất khả năng ức chế, bão hòa nhanh đến giá trị cực cao |
|
|
Rất thấp (vài volt) | Điện áp cao hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn volt được tạo ra. |
| Bản chất vật lý | Khớp nối mạnh, phản hồi âm sâu: I2 chống lại sự thay đổi mạnh mẽ của Φ | Ngắt phản hồi và tích lũy năng lượng: Tất cả các ampe sơ cấp{0}}quay I1 và N1 đều được sử dụng để kích thích. |
Các quá trình vật lý cốt lõi của nó như sau:
1: Sự biến mất của phản hồi khử từ
Trong quá trình hoạt động bình thường, từ thông do dòng điện thứ cấp I2 tạo ra luôn ngược chiều với từ thông do dòng sơ cấp I1 tạo ra, tạo ra hiệu ứng “khử từ” mạnh làm giam giữ từ thông tổng hợp trong lõi sắt ở mức thấp. Sau khi mở mạch, I2=0 và hiệu ứng khử từ ngay lập tức trở về 0.
2: Độ bão hòa nhanh của từ thông
Các vòng ampe chính không cân bằng-các vòng I1 và N1 được chuyển đổi hoàn toàn thành các vòng ampe-từ hóa. Do diện tích mặt cắt ngang của lõi được thiết kế cho mật độ từ thông thấp nên lõi nhanh chóng chuyển sang trạng thái bão hòa sâu tại thời điểm này.
Theo định luật cảm ứng điện từ Faraday, từ thông xoay chiều sẽ tạo ra một suất điện động chạy qua cuộn dây. Khi từ thông tăng mạnh sẽ tạo ra một điện áp cực cao U2 chạy qua cuộn dây thứ cấp.
3: Tạo áp suất cao
Trong điều kiện tần số nguồn, đối với dòng điện sơ cấp vài trăm ampe, điện áp cảm ứng ở phía thứ cấp mạch hở có thể dễ dàng đạt tới vài nghìn vôn và trong trường hợp cực đoan, nó có thể vượt quá 10 kilovolt.
Tiêu chuẩn quốc gia GB/T 20840.2-2014 "Máy biến áp dụng cụ - Phần 2: Yêu cầu kỹ thuật bổ sung cho máy biến dòng" có các yêu cầu nghiêm ngặt về hiệu suất cách điện của máy biến áp dụng cụ và điện áp cao đột ngột này vượt xa công suất thiết kế thông thường.
Nguy hiểm hở mạch phía thứ cấp của máy biến dòng
Điện áp cao và các hiện tượng kèm theo do hở mạch thứ cấp có thể gây ra một loạt phản ứng dây chuyền gây nguy hiểm.
1. Nguy cơ điện giật: Điện áp cao hàng nghìn volt tồn tại ở các cực thứ cấp, trực tiếp gây ra nguy cơ điện giật nghiêm trọng. Nhân viên bảo trì và sửa chữa tiếp xúc với điện áp này mà không có biện pháp phòng ngừa có thể bị điện giật.
2. Hư hỏng thiết bị:
Sự cố cách điện: Điện áp cao trước tiên sẽ làm đứt lớp cách điện giữa các vòng và giữa các lớp của cuộn dây thứ cấp hoặc làm đứt lớp cách điện xuống đất trong mạch thứ cấp, dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn máy biến dòng (CT).
Quá nóng và cháy nổ: Khi lõi sắt có độ bão hòa cao sẽ tạo ra dòng điện xoáy rất lớn và tổn thất trễ, khiến lõi sắt quá nóng, có thể đốt cháy lớp cách điện của cuộn dây, thậm chí gây cháy.
Hồ quang điện và cháy nổ: Các điểm mạch hở (chẳng hạn như các đầu nối bị lỏng) sẽ tạo ra hồ quang điện liên tục dưới điện áp cao. Nhiệt độ cao của hồ quang có thể đốt cháy thiết bị, đốt cháy các chất dễ cháy xung quanh và-khí nhiệt độ cao tích tụ trong tủ kín thậm chí có thể gây nổ điện.
3. Các mối nguy hiểm khi vận hành hệ thống
Đo lường không chính xác và hỏng hóc: Đối với các đồng hồ đo năng lượng loại CT{0}}, dòng điện đầu vào bằng 0 sẽ khiến chúng không thể đo được điện, dẫn đến mất điện và có thể xảy ra tranh chấp giải quyết thương mại.
Tạo ra tia lửa điện áp cao-nguy hiểm: Đây không chỉ là nguồn đánh lửa mà các xung điện từ mạnh sinh ra còn có thể gây nhiễu cho thiết bị điện tử gần đó.
Tóm tắt
Mạch hở ở phía thứ cấp của máy biến dòng sẽ gây ra sự tích tụ mạnh mẽ năng lượng điện từ, cuối cùng dẫn đến thảm họa vật lý biểu hiện là điện áp cao, hồ quang điện mạnh và quá nhiệt. Vì vậy, trong tất cả các công việc liên quan đến mạch CT, "ngăn chặn mạch hở" phải được tuân thủ nghiêm ngặt như một quy trình.
Trong khi đó, phía thứ cấp của máy biến dòng điện nối với công tơ điện phải được nối đất. Điều này cùng với việc "nghiêm cấm hở mạch ở phía thứ cấp" là hai quy tắc cốt lõi về vận hành và bảo trì CT. Sau khi nối đất, điện áp cao tăng vọt có thể nhanh chóng được xả xuống đất qua dây nối đất, tránh làm cháy thiết bị hoặc tai nạn điện giật do điện thế phía thứ cấp tăng đột ngột.