Principi de Mesura Composició i Prova de Transformadors Electrònics Combinats
1 Principi de mesura dels transformadors electrònics combinats
1.1 Principi de mesura de tensió
Els transformadors electrònics mesuren la tensió utilitzant el mètode de divisió de tensió capacitiva. Com que la tensió a través d'un condensador no pot canviar bruscament, la tensió secundària obtinguda directament a través de la divisió de tensió capacitiva té una resposta transitoria pobra i una precisió de mesura baixa. Per millorar la precisió de mesura, es connecta un resistor de mostreig de precisió en paral·lel a través del condensador de baixa tensió. El seu principi es mostra a la Figura 1.
A la Figura 1, sota la condició que
La tensió de sortida del condensador de divisió de tensió és proporcional a la derivada temporal de la tensió mesurada. Afegint un enllaç d'integració, es pot mesurar la tensió primària.
A la Figura 1, ja que la major part de la caiguda de tensió ocorre a través de C1, hi ha requisits molt alts per a l'aislament del condensador C1. En els transformadors de tensió electromagnètics, generalment es fan servir condensadors de potència, mentre que en els transformadors de tensió electrònics, no es fan servir condensadors de potència; en canvi, s'adopten condensadors equivalents.
La estructura del condensador de divisió de tensió és que un cilindre fet d'un material aïllant s'enfila sobre una barra conductora. A continuació, es col·loca una placa de circuit flexible doble capa a l'exterior del cilindre. El resistor de precisió és un resistor de xip col·locat a la capa exterior de la placa de circuit flexible. El diagrama esquemàtic de la estructura del divisor de tensió de condensador es mostra a la Figura 2.
La capacitance de C1 es forma pel cilindre intern. La barra conductora és equivalent a una plaqueta d'electrod, i la pel·lícula de cobre interior de la placa de circuit flexible és equivalent a l'altra plaqueta d'electrod, amb el material aïllant com a dielèctric. La capacitance de C2 es forma pel cilindre extern. Les pel·lícules de cobre dobles de la placa de circuit flexible doble capa són equivalents a les plaquetes d'electrod, i el material base de la placa de circuit flexible, com ara el poliimide, serveix com a dielèctric. La seva vista transversal radial es mostra a la Figura 3. La capacitance equivalent C es pot calcular mitjançant la fórmula.
En la fórmula: r1 és el radi interior del cilindre; r2 és el radi exterior del cilindre; H és la longitud de la placa de circuit flexible; εr és la permisivitat relativa del electròlit; ε0 és la permisivitat del buit.
1.2 Principi de mesura de corrent
Els transformadors electrònics utilitzen bobines de Rogowski per mesurar la corrent. La relació entre la tensió de sortida secundària i la corrent d'entrada primària és la següent:
En la fórmula, M és una constant independent de la posició de la corrent mesurada. La tensió de sortida de la bobina de Rogowski és proporcional a la derivada de la corrent mesurada. Per tant, afegint un enllaç d'integració després de la sortida de la bobina de Rogowski, es pot restablir la corrent mesurada.
En aquest projecte, la bobina de Rogowski és una bobina de Rogowski feta d'una placa de circuit imprès. La seva sensibilitat, precisió de mesura, estabilitat de rendiment, intercanviabilitat del producte i eficiència de producció són superiors als de les bobines tradicionals enrotllades.
Per reduir la interferència del camp magnètic accessori i millorar la precisió de mesura, la bobina de Rogowski feta d'una placa de circuit imprès generalment fa servir dues bobines connectades en sèrie per formar una entrada diferencial. Les direccions d'enrotllament d'aquestes dues bobines de PCB són diferents. Una s'enrotlla segons la regla de la mà dreta, i l'altra segons la regla de la mà esquerra. D'aquesta manera, es generen dues tensions induïdes amb polaritats oposades, i la tensió de sortida de la connexió en sèrie és el doble que la d'una sola bobina de Rogowski, tal com es mostra a la Figura 4.
1.2 Principi de mesura de corrent (continuació)
Degut a les diferents coeficients de dilatació tèrmica de la pel·lícula de cobre i la subtrat de PCB, les seves quantitats de deformació són diferents quan canvia la temperatura. Per reduir els errors causats per la deformació i prevenir la ruptura de la pel·lícula de cobre, les bobines de PCB fabricades passen per un procés d'envejeciment tèrmic. Aquest procés, d'una banda, allibera la tensió interna de les bobines per minimitzar els errors, i d'altra banda, serveix per triar les bobines.
Encara que les bobines de Rogowski amb sortida diferencial tenen una capacitat de supressió de mode comú forta, la interferència del camp elèctric de 10 kV segueix sent significativa. Per tant, és necessari envoltar les bobines de Rogowski amb foil de cobre i aterrà el foil de cobre.
2 Principi de composició dels transformadors electrònics combinats
2.1 Diagrama de bloc de la composició dels transformadors electrònics combinats
El diagrama de bloc del transformador electrònic combinat es mostra a la Figura 5. La tensió i la corrent primàries es converteixen en senyals secundaris pel condensador i la bobina de Rogowski. Integrant i desplaçant la fase dels senyals secundaris, es poden obtenir senyals proporcionals als senyals primàris. Per millorar la precisió, l'integració i la compensació de fase dels senyals de mesura es poden aconseguir mitjançant mètodes de processament de senyals digitals. No obstant això, el processament de senyals digital té un cert retard i no pot reflectir els senyals primàris en temps real. Per tant, aquest mètode de processament no és adequat per als senyals de protecció. Com que els senyals de protecció tenen menys requisits de precisió de mesura, es poden utilitzar circuits analògics directament per amplificar, integrar i compensar la fase.
2.2 Estructura de la capçalera de detecció del transformador electrònic combinat
El transformador electrònic combinat encapsula la unitat de mesura de tensió i la unitat de mesura de corrent en la estructura mostrada a la Figura 6 utilitzant la fundició a vuit per vacum d'epòxi.
La bobina de Rogowski es fon sobre la barra portadora de corrent. Després d'amplificar, el senyal de sortida de la bobina s'envia al terminal de sortida mitjançant una línia de senyal. Com que l'amplificador requereix una alimentació dual, 3 de les línies de senyal multicapa es fan servir per a la transmissió d'energia.
Com que no hi ha corrent que circuli a través de la barra conductora del transformador de tensió, i per augmentar la distància de reptació, s'adopta una estructura on la barra conductora i la barra portadora de corrent són perpendiculars entre si.
Com que la capçalera de detecció és activa, la vida útil dels components electrònics restringeix severament la vida útil de la capçalera de detecció del transformador electrònic. Per tant, tots els components han de passar per un procés de tria per envejeciment abans de ser utilitzats.
Per millorar la relació senyal-soroll, els senyals de corrent i tensió s'amplifiquen a l'interior de la capçalera de detecció. El circuit d'amplificació per al senyal de corrent està a la bobina de PCB, i el circuit d'amplificació per al senyal de tensió està a la placa de circuit flexible. S'utilitzen amplificadors de mesura de alt rendiment per als amplificadors.
3 Prova del transformador electrònic combinat
Segons els principis i la estructura mencionats anteriorment, així com les normes IEC 60044-7 i IEC 60044-8, s'ha dissenyat un prototip de transformador electrònic combinat de 10 kV/600 A. Per al transformador de tensió, la precisió de mesura és de Classe 0.5, i el nivell de protecció és 3P; per al transformador de corrent, la precisió de mesura és de Classe 0.2, i la precisió de protecció és 5P20.
Durant la prova, es passen diferents corrents a través del transformador electrònic i s'apliquen diferents tensions a aquest. La sortida secundària es transmet a través d'un port digital. Després de ser mostrada per la unitat de visualització digital, es compara amb el transformador de referència de corrent i el transformador de referència de tensió. La seva precisió de mesura compleix els requisits de disseny.
Alhora, es duen a terme proves de resistència a tensió de freqüència d'industria, descàrrega parcial, impuls de llamp i compatibilitat electromagnètica al prototip. El pas d'aquestes proves indica la correcció del esquema de disseny.
4 Conclusions
(1) Utilitzant un divisor de tensió de condensador compost per condensadors equivalents i una bobina de Rogowski feta amb una placa de circuit imprès com a sensors de tensió i corrent, té una estructura simple, bona intercanviabilitat del producte i alta precisió de mesura.
(2) Adoptant tecnologies de plaques de circuit imprès i flexibles, el circuit d'amplificació es pot construir a l'interior de la capçalera de detecció, millorant la relació senyal-soroll del senyal de mesura.
(3) Combinant el transformador de tensió electrònic i el transformador de corrent electrònic en un per formar un transformador combinat de tensió-corrent, no només es pot reduir el cost de l'equipament primari, sinó que també s'augmenta la precisió i la capacitat del circuit secundari per a la tensió d'una sola línia. Satisfà les noves exigències de mesura i protecció secundàries i també concorda amb el concepte de control dels sistemes de potència moderns que prenen intervals de commutació com a unitats.
