Принцип на измерване Състав и тестове на комбинирани електронни трансформатори
1 Принцип на измерване на комбинираните електронни трансформатори
1.1 Принцип на измерване на напрежението
Електронните трансформатори измерват напрежението чрез метода на делене на напрежението с кондензатори. Тъй като напрежението върху кондензатор не може да се промени внезапно, вторичното напрежение, получено директно чрез делене на напрежението с кондензатори, има слабо преходно отговор и ниска точност на измерването. За да се подобри точността на измерването, към нисконапреговия кондензатор се свързва паралелно прецизен пробен резистор. Неговият принцип е показан на Фигура 1.
На Фигура 1, при условие, че
Изходното напрежение на кондензатора за делене на напрежението е пропорционално на времевата производна на измереното напрежение. Чрез добавяне на интеграционен елемент, може да се измери първично напрежение.
На Фигура 1, тъй като повечето от падането на напрежението се случва върху C1, има високи изисквания към изолацията на кондензатора C1. В електромагнитните напреженични трансформатори обикновено се използват мощностни кондензатори, докато в електронните напреженични трансформатори не се използват мощностни кондензатори; вместо това се използват еквивалентни кондензатори.
Структурата на кондензатора за делене на напрежението е такава, че цилиндър от изолиращ материал е поставен върху проводящ стержен. След това, двойна гъвкава печатна плата е прикрепена към външната страна на цилиндъра. Прецизният резистор е чип резистор, прикрепен към външния слой на гъвкавата печатна плата. Схематичната диаграма на структурата на кондензатора за делене на напрежението е показана на Фигура 2.
Капацитетът на C1 е формиран от вътрешния слой цилиндър. Проводещият стержен е еквивалентен на един електрод, а медната филма вътре в гъвкавата печатна плата е еквивалентна на другия електрод, с изолиращия материал като диелектрик. Капацитетът на C2 е формиран от външния слой цилиндър. Двустранните медни филми на двустранната гъвкава печатна плата са еквивалентни на електродите, а основният материал на гъвкавата печатна плата, като полиимида, служи като диелектрик. Неговата радиална сечение е показано на Фигура 3. Еквивалентният капацитет C може да бъде изчислен чрез формула.
В формулата: r1 е вътрешният радиус на цилиндъра; r2 е външният радиус на цилиндъра; H е дължината на гъвкавата печатна плата; εr е относителната диелектрична проницаемост на електролита; ε0 е диелектричната проницаемост на вакуума.
1.2 Принцип на измерване на тока
Електронните трансформатори използват катушки на Роговски за измерване на тока. Отношението между вторичното изходно напрежение и първичния входен ток е следното:
В формулата, M е константа, независима от позицията на измерения ток. Изходното напрежение на катушката на Роговски е пропорционално на производната на измерения ток. Следователно, чрез добавяне на интеграционен елемент след изхода на катушката на Роговски, измереният ток може да бъде възстановен.
В този проект, катушката на Роговски е катушка на Роговски, направена от печатна плата. Нейната чувствителност, точност на измерването, стабилност на функционирането, взаимозаменяемостта на продукта и производствената ефективност са по-добри от тези на традиционно оплетени катушки.
За да се намали въздействието на допълнителното магнитно поле и да се подобри точността на измерването, катушката на Роговски, направена от печатна плата, обикновено използва две свързани в серия катушки, за да се формира диференциален вход. Посоките на оплитане на тези две катушки от печатна плата са различни. Едната е оплетена според правилото на дясната ръка, а другата - според правилото на лявата ръка. По този начин, се генерира два индуцирани напрежения с противоположни полярности, и изходното напрежение на серийното свързване е два пъти по-голямо от това на една катушка на Роговски, както е показано на Фигура 4.
1.2 Принцип на измерване на тока (продължение)
Тъй като термичните коефициенти на разширяване на медната филма и основата на печатната плата са различни, техните деформации са различни при промяна на температурата. За да се намалят грешките, причинени от деформация, и да се предотврати прекъсването на медната филма, произведеният печатен плата катушки подлагат на процес на стареене при температура. Този процес, от една страна, освобождава вътрешните напрежения в катушките, за да се намалят грешките, и, от друга страна, служи за селекция на катушките.
Въпреки, че катушките на Роговски с диференциален изход имат силна способност за подаване на общ режим, 10 кV електрическото поле все още оказва значително влияние. Затова е необходимо да се обвие катушката на Роговски с медна фолия и да се заземи медната фолия.
2 Принцип на състава на комбинираните електронни трансформатори
2.1 Блокова диаграма на комбинираните електронни трансформатори
Блоковата диаграма на комбинирания електронен трансформатор е показана на Фигура 5. Първичното напрежение и ток се преобразуват във вторични сигнали чрез кондензатор и катушка на Роговски. Чрез интегриране и фазово компенсиране на вторичните сигнали, могат да бъдат получени сигнали, пропорционални на първичните сигнали. За да се подобри точността, интегрирането и фазовата компенсация на измерените сигнали могат да бъдат постигнати чрез цифрови методи на обработка на сигнали. Обаче, цифрата обработка на сигнали има определена забава и не може да отразява първичните сигнали в реално време. Следователно, този метод на обработка не е подходящ за сигнали за защита. Тъй като сигнали за защита имат по-ниски изисквания за точност на измерването, аналогови вериги могат да бъдат използвани директно за усилване, интегриране и фазова компенсация.
2.2 Структура на сензорния глава на комбинираните електронни трансформатори
Комбинираният електронен трансформатор заключва единицата за измерване на напрежението и единицата за измерване на тока в структура, показана на Фигура 6, чрез вакуумно леене с епоксидна смола.
Катушката на Роговски е леена върху токонесещата шина. След усилване, изходният сигнал на катушката се изпраща до изходния терминал чрез сигнална жица. Тъй като усилителят изисква двойно захранване, три от многожилните сигнални жици се използват за передаване на енергия.
Тъй като няма ток, минаващ през проводещия стержен на напреженичния трансформатор, и за увеличаване на дължината на изолационния път, се приема структура, при която проводещият стержен и токонесещата шина са перпендикулярни помежду си.
Тъй като сензорният глава е активен тип, жизненият период на електронните компоненти сериозно ограничава жизнения период на сензорния глава на електронния трансформатор. Следователно, всички компоненти трябва да преминат през процес на стареене и селекция преди употреба.
За да се подобри соотношението сигнал-шум, сигналите за ток и напрежение се усилват вътре в сензорния глава. Усилвателната верига за сигнала на тока е на печатната плата, а усилвателната верига за сигнала на напрежението е на гъвкавата печатна плата. Използват се високопроизводителни усилватели на инструменти.
3 Тестване на комбинирания електронен трансформатор
Според посочените принципи и структура, както и стандарти IEC 60044-7 и IEC 60044-8, е проектиран прототип на 10 kV/600 A интегриран напреженичен/токов електронен трансформатор. За напреженичния трансформатор, точността на измерването е клас 0.5, а нивото на защита е 3P; за токовия трансформатор, точността на измерването е клас 0.2, а точността на защитата е 5P20.
По време на теста, различни токове минават през електронния трансформатор и различни напрежения се прилагат към него. Вторичният изход се извежда чрез цифров порт. След показване от цифровия индикатор, се сравнява с референтния токов трансформатор и референтния напреженичен трансформатор. Точността на измерването му отговаря на изискванията на проекта.
Едновременно, се провеждат тестове за издръжливост на работно напрежение, частични разряди, удари на мълния и електромагнитна съвместимост на прототипа. Преминаването на тези тестове указва коректността на проектния план.
4 Заключения
(1) Използването на кондензатор за делене на напрежението, съставен от еквивалентни кондензатори, и катушка на Роговски, направена от печатна плата, като сензори за напрежение и ток, има проста структура, добра взаимозаменяемост на продукта и висока точност на измерването.
(2) Чрез използване на технологии за печатни плати и гъвкави печатни плати, усилвателната верига може да бъде построена вътре в сензорния глава, което подобрява соотношението сигнал-шум на измерените сигнали.
(3) Комбинирането на електронния напреженичен трансформатор и електронния токов трансформатор в един, за да се образува комбиниран напреженичен-токов трансформатор, не само намалява цената на първичното оборудване, но и подобрява точността и капацитета на вторичната верига за напрежението на една линия. Това отговаря на новите изисквания за вторично измерване и защита и съответства на концепцията за управление на модерните електрически системи, която приема интервали на комутационни устройства като единици.
