Nos sistemas de medição e monitoramento de energia, os medidores de eletricidade que exigem transformadores de corrente (TCs) externos são onipresentes; eles são nossos “olhos” para detectar com precisão correntes massivas. No entanto, escondida neste sistema sofisticado está uma regra rígida que deve ser sempre seguida: o lado secundário do transformador de corrente nunca deve ser operado com um circuito aberto. Este artigo irá aprofundar os princípios subjacentes e os perigos envolvidos.
Princípio normal de operação do transformador de corrente
Um CT (Transformador de Corrente) é um tipo especial de transformador que opera com base no princípio da indução eletromagnética. Seus princípios básicos de design são “redução de corrente” e “isolamento”.
1. Estrutura: Normalmente consiste em um núcleo de ferro fechado, um enrolamento primário com menos voltas (conectado em série no circuito principal) e um enrolamento secundário com mais voltas (conectado ao medidor de energia elétrica).
2. Estado Ideal: Em um circuito fechado normal, o TC opera em um estado aproximadamente de “curto-circuito”. De acordo com a lei circuital de Ampère e a lei da indução eletromagnética, a corrente primária I1 gerará um fluxo magnético alternado Φ no núcleo de ferro, que então induzirá uma corrente I2 no lado secundário. A relação entre os dois é a seguinte:
Onde N1 e N2 são o número de voltas nos enrolamentos primário e secundário e Im é a corrente de excitação. Devido à impedância de excitação muito grande e ao Im extremamente pequeno no projeto, ele pode ser simplificado para o seguinte em condições ideais:
Aqui, Kn refere-se à taxa de transformação nominal, como 1000/5A. Neste caso, a grande corrente no lado primário é convertida de forma precisa e proporcional em uma pequena corrente no lado secundário (normalmente um valor padrão de 5A ou 1A) para medição segura do instrumento. Simultaneamente, o potencial do circuito secundário do transformador de corrente (TC) é muito baixo (geralmente apenas alguns volts), dentro de uma faixa segura.
Análise principal quando o lado secundário está aberto
Quando o circuito secundário fica aberto devido a terminais soltos, fios quebrados ou desconexão acidental durante o teste, seu estado operacional sofre uma mudança catastrófica.
| Status operacional | Fechamento normal | Abertura de estrada secundária |
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Existe, proporcional a I1 |
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Φ |
Efetivamente suprimido pelo fluxo desmagnetizante gerado por I2, mantendo um nível baixo | Perda de inibição, saturação rápida para valores extremamente altos |
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Muito baixo (vários volts) | Alta tensão de milhares ou mesmo dezenas de milhares de volts foi induzida. |
| Natureza física | Acoplamento forte, feedback negativo profundo: I2 resiste fortemente a mudanças em Φ | Corte de feedback e acúmulo de energia: todas as voltas de ampere primárias I1 e N1 são usadas para excitação. |
Seus principais processos físicos são os seguintes:
1: Desaparecimento do feedback de desmagnetização
Durante a operação normal, o fluxo magnético gerado pela corrente secundária I2 está sempre na direção oposta ao fluxo magnético gerado pela corrente primária I1, criando um forte efeito de "desmagnetização" que confina o fluxo magnético combinado no núcleo de ferro a um nível baixo. Depois que o circuito é aberto, I2=0, e o efeito desmagnetizante retorna instantaneamente a zero.
2: Saturação rápida do fluxo magnético
As voltas-de ampere primárias desequilibradas I1 e N1 são inteiramente convertidas em voltas-de ampere magnetizantes. Como a área da seção-transversal do núcleo é projetada para baixa densidade de fluxo magnético, o núcleo entra rapidamente em um estado de saturação profunda neste ponto.
De acordo com a lei da indução eletromagnética de Faraday, o fluxo magnético alternado induzirá uma força eletromotriz através do enrolamento. Quando o fluxo magnético aumenta acentuadamente, uma tensão U2 extremamente alta será induzida no enrolamento secundário.
3: Geração de alta pressão
Sob condições de frequência de energia, para uma corrente primária de várias centenas de amperes, a tensão induzida no lado secundário-do circuito aberto pode facilmente atingir vários milhares de volts e, em casos extremos, pode exceder 10 quilovolts.
O padrão nacional GB/T 20840.2-2014 "Transformadores de instrumentos - Parte 2: Requisitos técnicos complementares para transformadores de corrente" tem requisitos rigorosos para o desempenho de isolamento de transformadores de instrumentos, e essa alta tensão repentina excedeu em muito sua capacidade normal de projeto.
Perigos de circuito aberto no lado secundário do transformador de corrente
A alta tensão e os fenômenos associados gerados por um circuito secundário aberto podem desencadear uma série de reações em cadeia de perigos.
1. Perigo de choque elétrico: Existem milhares de volts de alta tensão nos terminais secundários, representando diretamente um sério risco de choque elétrico. O pessoal de manutenção e reparo que entrar em contato com esta tensão sem precauções poderá sofrer choque elétrico.
2. Danos ao equipamento:
Quebra do isolamento: A alta tensão primeiro quebrará o isolamento entre-espiras e entre-camadas do enrolamento secundário ou quebrará o isolamento do aterramento no circuito secundário, causando danos permanentes ao transformador de corrente (TC).
Superaquecimento e queima: Quando o núcleo de ferro está altamente saturado, gerará enormes correntes parasitas e perdas por histerese, causando superaquecimento do núcleo de ferro, o que pode queimar o isolamento do enrolamento e até causar incêndio.
Arco Elétrico e Explosão: Pontos de circuito aberto (como terminais soltos) gerarão um arco elétrico contínuo sob alta tensão. A alta temperatura do arco pode queimar o equipamento, inflamar os combustíveis circundantes e os gases-de alta temperatura acumulados no gabinete selado podem até causar uma explosão elétrica.
3. Riscos de operação do sistema
Imprecisão e falha na medição: para medidores de energia do tipo-CT, uma corrente de entrada zero os tornará incapazes de medir eletricidade, resultando em perda de eletricidade e possíveis disputas comerciais.
Geração de faíscas perigosas de alta-tensão: isso não é apenas uma fonte de ignição, mas os fortes pulsos eletromagnéticos resultantes também podem interferir em equipamentos eletrônicos próximos.
Resumir
Um circuito aberto no lado secundário de um transformador de corrente desencadeia um acúmulo violento de energia eletromagnética, resultando em uma catástrofe física manifestada como alta tensão, fortes arcos elétricos e superaquecimento. Portanto, em todos os trabalhos que envolvam circuitos de TC, a “prevenção de circuito aberto” deve ser rigorosamente seguida como procedimento.
Enquanto isso, o lado secundário do transformador de corrente conectado ao medidor de energia elétrica deve ser aterrado. Isto, juntamente com a “proibição estrita de circuitos abertos no lado secundário”, são as duas regras rígidas básicas de operação e manutenção de TC. Após o aterramento, a alta tensão gerada pode ser rapidamente descarregada para o solo através do fio terra, evitando queima do equipamento ou acidentes com choque elétrico causados por aumento repentino do potencial secundário.