Dalam sistem pengukuran dan pemantauan daya, meteran listrik yang memerlukan transformator arus eksternal (CT) ada di mana-mana; mereka adalah "mata" kita untuk merasakan arus besar secara akurat. Namun, tersembunyi di dalam sistem canggih ini terdapat aturan ketat yang harus dipatuhi setiap saat: sisi sekunder transformator arus tidak boleh dioperasikan dengan rangkaian terbuka. Artikel ini akan mempelajari prinsip-prinsip dasar dan bahaya yang ditimbulkannya.
Prinsip operasi normal transformator arus
CT (Current Transformer) adalah jenis trafo khusus yang beroperasi berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Prinsip desain intinya adalah "pengurangan arus" dan "isolasi".
1. Struktur: Biasanya terdiri dari inti besi tertutup, belitan primer dengan lilitan lebih sedikit (dihubungkan secara seri pada rangkaian utama), dan belitan sekunder dengan lilitan lebih banyak (dihubungkan ke meteran listrik).
2. Keadaan Ideal: Dalam sirkuit tertutup normal, CT beroperasi dalam keadaan kira-kira "hubungan pendek". Menurut hukum rangkaian Ampere dan hukum induksi elektromagnetik, arus primer I1 akan menghasilkan fluks magnet bolak-balik Φ pada inti besi, yang kemudian akan menginduksi arus I2 pada sisi sekunder. Hubungan keduanya adalah sebagai berikut:
Dimana N1 dan N2 adalah jumlah lilitan pada belitan primer dan sekunder, dan Im adalah arus eksitasi. Karena impedansi eksitasi yang sangat besar dan Im yang sangat kecil dalam desain, maka dalam kondisi ideal dapat disederhanakan menjadi berikut:
Di sini, Kn mengacu pada rasio transformasi terukur, seperti 1000/5A. Dalam hal ini, arus besar pada sisi primer diubah secara tepat dan proporsional menjadi arus kecil pada sisi sekunder (biasanya nilai standar 5A atau 1A) untuk pengukuran instrumen yang aman. Pada saat yang sama, potensi rangkaian sekunder transformator arus (CT) sangat rendah (biasanya hanya beberapa volt), dalam kisaran aman.
Analisis prinsip ketika sisi sekunder terbuka
Ketika sirkuit sekunder menjadi terbuka karena terminal yang kendor, kabel putus, atau pemutusan yang tidak disengaja selama pengujian, kondisi pengoperasiannya mengalami perubahan yang sangat besar.
| Status pengoperasian | Penutupan biasa | Pembukaan jalan sekunder |
|
|
Ada, sebanding dengan I1 |
|
|
Φ |
Secara efektif ditekan oleh fluks demagnetisasi yang dihasilkan oleh I2, mempertahankan tingkat yang rendah | Hilangnya hambatan, saturasi cepat hingga nilai yang sangat tinggi |
|
|
Sangat rendah (beberapa volt) | Tegangan tinggi ribuan bahkan puluhan ribu volt diinduksi. |
| Sifat fisik | Kopling kuat, umpan balik negatif yang dalam: I2 sangat menolak perubahan Φ | Pemutusan umpan balik dan akumulasi energi: Semua putaran ampere primer-I1 dan N1 digunakan untuk eksitasi. |
Proses fisik intinya adalah sebagai berikut:
1: Hilangnya Umpan Balik Demagnetisasi
Selama pengoperasian normal, fluks magnet yang dihasilkan oleh arus sekunder I2 selalu berlawanan arah dengan fluks magnet yang dihasilkan oleh arus primer I1, menciptakan efek "demagnetisasi" yang kuat yang membatasi fluks magnet gabungan dalam inti besi ke tingkat rendah. Setelah rangkaian dibuka, I2=0, dan efek demagnetisasi langsung kembali ke nol.
2: Saturasi fluks magnet yang cepat
Putaran ampere-utama yang tidak seimbang I1 dan N1 seluruhnya diubah menjadi putaran ampere-magnetisasi. Karena luas penampang inti-dirancang untuk kerapatan fluks magnet yang rendah, inti dengan cepat memasuki keadaan jenuh dalam pada titik ini.
Menurut hukum induksi elektromagnetik Faraday, fluks magnet bolak-balik akan menginduksi gaya gerak listrik melintasi belitan. Ketika fluks magnet meningkat tajam, tegangan U2 yang sangat tinggi akan diinduksi pada belitan sekunder.
3: Pembangkitan tekanan tinggi
Dalam kondisi frekuensi daya, untuk arus primer beberapa ratus ampere, tegangan induksi pada sisi sekunder sirkuit terbuka dapat dengan mudah mencapai beberapa ribu volt, dan dalam kasus ekstrem, tegangan tersebut dapat melebihi 10 kilovolt.
Standar nasional GB/T 20840.2-2014 "Transformator Instrumen - Bagian 2: Persyaratan Teknis Tambahan untuk Transformator Arus" memiliki persyaratan ketat untuk kinerja isolasi transformator instrumen, dan tegangan tinggi yang tiba-tiba ini jauh melebihi kapasitas desain normalnya.
Bahaya rangkaian terbuka pada sisi sekunder trafo arus
Tegangan tinggi dan fenomena yang menyertainya yang dihasilkan oleh rangkaian terbuka sekunder dapat memicu serangkaian reaksi bahaya berantai.
1. Bahaya Sengatan Listrik: Ribuan volt tegangan tinggi terdapat pada terminal sekunder, yang secara langsung menimbulkan risiko sengatan listrik yang serius. Personel pemeliharaan dan perbaikan yang bersentuhan dengan voltase ini tanpa tindakan pencegahan dapat mengalami sengatan listrik.
2. Kerusakan Peralatan:
Kerusakan Isolasi: Tegangan tinggi pertama-tama akan merusak insulasi antar-belokan dan-lapisan belitan sekunder, atau memecah insulasi menjadi ground pada sirkuit sekunder, yang menyebabkan kerusakan permanen pada transformator arus (CT).
Panas Berlebih dan Kelelahan: Ketika inti besi sangat jenuh, maka akan timbul arus eddy dan rugi-rugi histeresis yang sangat besar, menyebabkan inti besi menjadi terlalu panas, yang dapat membakar isolasi belitan dan bahkan menyebabkan kebakaran.
Busur Listrik dan Ledakan: Titik sirkuit terbuka (seperti terminal longgar) akan menghasilkan busur listrik terus menerus di bawah tegangan tinggi. Busur bersuhu tinggi dapat membakar peralatan, menyulut bahan mudah terbakar di sekitarnya, dan-gas bersuhu tinggi yang terakumulasi dalam lemari tertutup bahkan dapat menyebabkan ledakan listrik.
3. Bahaya Pengoperasian Sistem
Ketidakakuratan dan Kegagalan Pengukuran: Untuk pengukur energi tipe CT{0}}, arus input nol akan membuat meteran tersebut tidak dapat mengukur listrik, sehingga mengakibatkan hilangnya listrik dan potensi perselisihan penyelesaian perdagangan.
Percikan Tegangan Tinggi-yang Berbahaya: Ini bukan hanya sumber penyulutan, namun gelombang elektromagnetik kuat yang dihasilkan juga dapat mengganggu peralatan elektronik di sekitar.
Meringkaskan
Sirkuit terbuka di sisi sekunder transformator arus memicu akumulasi energi elektromagnetik yang hebat, yang pada akhirnya mengakibatkan bencana fisik yang diwujudkan dalam bentuk tegangan tinggi, busur listrik yang kuat, dan panas berlebih. Oleh karena itu, dalam semua pekerjaan yang melibatkan sirkuit CT, "pencegahan sirkuit terbuka" harus dipatuhi secara ketat sebagai sebuah prosedur.
Sedangkan sisi sekunder trafo arus yang terhubung dengan meteran listrik harus dibumikan. Hal ini, bersama dengan "larangan keras sirkuit terbuka pada sisi sekunder", merupakan dua aturan inti yang ketat dalam pengoperasian dan pemeliharaan CT. Setelah grounding, tegangan tinggi yang melonjak dapat dengan cepat dibuang ke tanah melalui kabel grounding, menghindari kelelahan peralatan atau kecelakaan sengatan listrik yang disebabkan oleh kenaikan potensial sisi sekunder secara tiba-tiba.