電力計測および監視システムでは、外部変流器 (CT) を必要とする電力メーターが普及しています。それらは大電流を正確に感知するための私たちの「目」です。ただし、この洗練されたシステムには、常に従わなければならない鉄則が隠されています。それは、変流器の二次側を決して開回路で動作させてはいけないということです。この記事では、その根底にある原則とそれに伴う危険性について詳しく説明します。
変流器の正常な動作原理
変流器（CT）は、電磁誘導の原理に基づいて動作する特殊なタイプの変圧器です。その中心となる設計原則は「電流削減」と「絶縁」です。
構造
通常、これは閉じた鉄心、比較的巻数の少ない一次巻線 (主回路で直列に接続)、および比較的巻数の多い二次巻線 (電力メーターに接続) で構成されます。
理想的な状態
通常の閉回路では、CT はほぼ「短絡」状態で動作します。-アンペールの回路法則と電磁誘導の法則により、一次電流 I1 により鉄心に交流磁束 Φ が発生し、二次側に電流 I2 が誘導されます。両者の関係は次のとおりです。
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
ここで、N1 と N2 は一次巻線と二次巻線の巻数、Im は励磁電流です。設計上の励起インピーダンスが大きいため、Im は非常に小さいため、理想的な状態では次のように単純化できます。
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ または I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
ここで、Kn は定格巻数比、たとえば 1000/5A です。このとき、一次側の大電流を二次側の小電流（通常5Aまたは1Aの標準値）に正確に比例変換するため、機器で安全に測定できます。同時に、CT の二次回路の電位は非常に低くなり (通常はわずか数ボルト)、安全な範囲内になります。
二次回路断線の原理解析
端子の緩み、断線、試験中の誤切断などの理由で二次回路がオープンになると、その動作状態は壊滅的に変化します。
| 勤務状況 | 通常閉 | 二次側開回路 |
|---|---|---|
| 二次電流 I2 | 存在、I1 に比例 | I2=0 |
| コア磁束Φ | I2により発生する反磁束により効果的に抑制され、低レベルに維持されます。 | 抑制を失い、急速に非常に高い値に飽和します |
| 二次電圧 U2 | 非常に低い (数ボルト) | 数千ボルトから数万ボルトの高電圧を誘導します。 |
| 物理的エッセンス | 強力な結合、深い負帰還: I2 は Φ の変化に強く抵抗します | フィードバックの遮断-、エネルギーの蓄積: すべての一次アンペア-ターン I1N1 が励起に使用されます |
コアの物理プロセスは次のとおりです。
消磁フィードバックの消失
通常動作中、二次電流 I2 によって発生する磁束は一次電流 I1 によって発生する磁束と常に逆方向であり、コア内の結合磁束を低レベルに閉じ込める強力な「減磁」効果が生じます。回路が開くと I2=0 となり、消磁効果は瞬時にゼロに戻ります。
磁束の急速な飽和
一次アンペア ターン I1 と N1 は、拘束されていないため、完全に磁化アンペア ターンに変換されます。{0}コア断面積-は磁束密度が低くなるように設計されているため、コアは急速に深い飽和状態に入ります。
ファラデーの電磁誘導の法則によれば、交流磁束は巻線全体に起電力を誘導します。磁束が劇的に増加すると、二次巻線の両端に非常に高い電圧 U2 が誘導されます。
高電圧の発生
電源周波数条件下では、一次電流が数百アンペアの場合、開回路二次側の誘導電圧は容易に数千ボルトに達し、極端な場合には 10 キロボルトを超えることがあります。{0}}
変流器の二次側の開回路の危険性
二次側の開回路によって発生する高電圧とそれに伴う現象は、一連の危険の連鎖反応を引き起こす可能性があります。
感電の危険性
二次端子に数千ボルトの高電圧が存在すると、感電の重大な危険が直接生じます。保守および修理担当者が予防措置を講じずにこの電圧に接触すると、感電する可能性があります。
機器の損傷
絶縁破壊: 高電圧は、まず二次巻線の巻線間および層間の絶縁を破壊するか、二次回路内のアース間の絶縁を破壊し、変流器 (CT) に永久的な損傷を与えます。
過熱と焼損: 鉄心が高度に飽和すると、巨大な渦電流とヒステリシス損失が発生し、鉄心が過熱し、巻線の絶縁体が焼損し、場合によっては火災を引き起こす可能性があります。
電気アークと爆発: 開回路点 (緩んだ端子など) では、高電圧下で連続電気アークが発生します。高温のアークにより機器が燃え尽き、周囲の可燃物に引火する可能性があり、密閉されたキャビネット内に蓄積された高温ガスにより電気爆発を引き起こす可能性もあります。-
システム運用上の危険性
計量の不正確さと故障: CT- タイプの電力量計の場合、入力電流がゼロになると電力を測定できなくなり、電力が失われ、貿易紛争が発生する可能性があります。
危険な高電圧スパークの発生-: これは発火源であるだけでなく、発生する強力な電磁パルスが近くの電子機器に干渉する可能性もあります。
結論
変流器の二次側の開回路は、電磁エネルギーの激しい蓄積を引き起こし、最終的には高電圧、強力な電気アーク、過熱として現れる物理的災害を引き起こします。したがって、CT回路を扱う作業においては「断線防止」を厳守する必要があります。
同時に、電力量計に接続されている変流器の二次側を接地する必要があります。これは「二次側断線厳禁」と合わせて、CTの運用・保守の鉄則です。接地すると、高電圧サージが接地線を介して速やかに地面に放電され、機器の焼損や感電事故につながる二次電位の急激な上昇を防ぎます。