مدار باز شدن ثانویه ترانسفورماتورهای جریان (CTها) و تهدیدات ناشی از آن

اندازه گیری جریان های بزرگ، خواه از نوع "حالت عادی" و خواه از نوع "خطا" عموما به واسطه ترانسفورماتورهای جریان انجام میشود. این تجهیزات نقشی کلیدی در کاربردهای حفاظتی و اندازه‌گیری در سیستمهای قدرت دارند. در کنار مزایای متعدد استفاده از CTها با چالش های مختلفی نیز همراه است که در این مقاله قصد بر آن است تا به تهدیدات و خطرات ناشی از مدارباز شدن ثانویه پرداخته شود.

مدار باز شدن ترانسفورماتورهای جریان اصولا با افزایش شدید شار مغناطیسی در هسته همراه است. این امر با دو اثر مخرب همراه است:

• اول) در اثر حذف نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) سیم پیچ ثانویه، که در خلاف mmf اولیه است، شار افزایش می یابد. این افزایش شار موجب افزایش تلفات در هسته مغناطیسی و در نتیجه آن افزایش حرارت و آسیب رساندن به عایق بندی سیم پیچی ها میشود.
• دوم) این افزایش شار سبب القای ولتاژهای بالا در ثانویه شده که می‌تواند به مقادیری در حد چندین کیلوولت برسد. این در حالی است که در حالت کارکرد عادی ترانسفورماتورهای جریان این ولتاژ در حدود چندین ولت است. این امر علاوه بر آسیب به عایق‌بندی سیم‌پیچ ثانویه CT و تجهیزات مجاور، می‌تواند سبب بروز آسیب‌های جانی برای پرسنل حاضر در محل شود.

در جریان برابر، هر چه نسبت تبدیل CT بزرگتر باشد، اضافه ولتاژهای ناشی از مدار باز شدن آن بزرگتر می‌گردد. در صورت رسیدن این ولتاژ به چندین کیلوولت، بزرگی آن در حدی هست که برای ایجاد و پایدار نگه داشتن قوس الکتریکی کفایت نموده و سبب بروز تهدیداتی نظیر خطر آتش‌سوزی گردد.

برای نمایش چرایی بروز اضافه ولتاژهای شدید میتوان از مدار معادل CT موجود در شکل 1 استفاده نمود. در این شکل Z_B امپدانس بردن (burden) CT و Z_E امپدانس تحریک آن است. در حالت عادی امپدانس Z_E مقداری بزرگ داشته و جریان گذرنده از آن ناچیز است. با مدار باز شدن CT در واقع امپدانس Z_B مدار باز می‌گردد و جریان ثانویه (I_S) برابر با صفر می‌شود. در این حالت در صورت وجود جریان اولیه (I_P) در ثانویه ترانسفورماتور ایده آل جریانی متناسب با نسبت تبدیل ترانسفورماتور ((N_P/N_S)*I_P) به وجود آمده و با توجه به مدار باز بودن Z_B و صفر بودن I_S، همه جریان بالاجبار از شاخه Z_E عبور مینماید. این امر سبب پدید آمدن ولتاژی بزرگ در دو سر Z_E و ترمینال ثانویه CT شده و ترانسفورماتور جریان اشباع میشود. بروز اشباع خود سبب پیچیده تر شدن رفتار CT در خروجی میشود. تغییرات سریع شار در مدت زمان کوتاه سبب پدید آمدن پالس های ولتاژ بالایی در ثانویه میشود. از این روست که در بحث ولتاژ CT با ثانویه مدار باز، لزوما این ولتاژ RMS نیست که به مقادیر خطرناک میرسد، بلکه تاج یا پیک ولتاژ افزایش شدیدی را تجربه میکند.

شکل 1- مدار معادل ترانسفورماتور جریان IEEE C37.110

از عوامل اثرگذار بر روی ولتاژ مدارباز شدن CT میتوان به نسبت تبدیل (نسبت تبدیل بیشتر=پیک ولتاژ بزرگتر)، جنس و ساختار هسته، بزرگی جریان اولیه و فرکانس کاری اشاره کرد. مواردی نظیر بروز قوس در ترمینال مدار باز شده، آسیب های عایقی، تولید صداهای بلند و قابل شنیدن از جمله شاخصه‌های مدارباز شدن ثانویه در CTها محسوب می‌شوند. در شکل 2، ولتاژ ثانویه یک CT مدار باز شده 1500 به 5 آمپر برای نمونه آورده شده است. در این شکل ولتاژ حالت عادی کارکرد CT تحت بردنی مشخص نیز تحت عنوان U_{2m norm} ارائه گردیده و دیده میشود که تحت جریان نامی این ولتاژ در حدود 4 ولت است.

شکل 2-ولتاژ ثانویه در یک نمونه CT با نسبت تبدیل 1500 به 5 آمپر 

استاندارد IEEE Std C57.13-2016 بیان میکند که "به سبب خطرات ناشی از پیک ولتاژ، ترانسفورماتورهای جریان هیچگاه نباید با ثانویه مدارباز شده به کار گرفته شوند. CTهایی که با این استاندارد سازگارند میبایست در شرایط اضطرار و به مدت 1 دقیقه تحت جریان نامی اولیه ضربدر ضریب بارگذاری با ولتاژ مدارباز در ثانویه که از 3500 ولت (پیک) تجاوز نکند، عمل نماید. اگر ولتاژ ثانویه از 3500 ولت بیشتر شود، کاربر میبایست از تجهیزات محدود کننده ولتاژ (نظیر واریستورها یا اسپارک گپ ها) در ترمینال ثانویه استفاده نماید. تجهیز محدودکننده ولتاژ ثانویه میبایست قادر به تحمل شرایط مدار باز به مدت 1 دقیقه، بدون آسیب دیدن مدار ثانویه را داشته باشد. تجهیز محدود ساز ولتاژ ثانویه ممکن است پس از بروز شرایط غیر عادی نیاز به جایگزینی و تعویض داشته باشد."

حفاظت در برابر مدار باز شدن CTها میتواند با استفاده از واریستورها، اسپارک گپ‌ها و یا تجهیزات دیگر حوزه کنترل ولتاژ انجام شود. این دسته از تجهیزات مشخصه عملکردی غیر خطی دارند، به این صورت که در شرایط کاری عادی مدار باز بوده و به محض عبور ولتاژ از مقدار آستانه، تجهیز شروع به هدایت جریان الکتریکی و کنترل ولتاژ مینماید. این تجهیزات مصرفی بوده و با عملکرد و رسانایی تحت چندین سیکل میبایست تعویض و جایگزین شوند. هر چند تجهیزات دیگری نیز تحت عنوان "CT Open Circuit Protector Device" یا OCP نیز وجود دارد که قادر به عملکرد دائمی تحت جریان نامی ثانویه CT هستند. نمونه ای از یک OCP در شکل 3 آورده شده است.

شکل 3- نمونه ای از یک OCP

منابع

• IEEE C37.110
• https://voltage-disturbance.com
• Roman Ferensovych, The Operation of Current Transformer With Open Secondary Circuit