Princip měření složení a testování kombinovaných elektronických transformátorů
1 Princip měření kombinovaných elektronických transformátorů
1.1 Princip měření napětí
Elektronické transformátory měří napětí pomocí metody kapacitivního dělení napětí. Protože napětí na kondenzátoru nemůže náhle změnit, má sekundární napětí získané přímo kapacitivním dělením napětí špatnou přechodovou odezvu a nízkou měřicí přesnost. Pro zlepšení měřicí přesnosti se k nízkonapěťovému kondenzátoru paralelně připojí přesný vzorkovací odpor. Jeho princip je znázorněn na obrázku 1.
Na obrázku 1 za podmínky, že
Výstupní napětí dělicího kondenzátoru je úměrné časové derivaci měřeného napětí. Přidáním integračního spoje lze změřit primární napětí.
Na obrázku 1, protože většina poklesu napětí nastává na C1, jsou pro izolaci kondenzátoru C1 velmi vysoké požadavky. V elektromagnetických napěťových transformátorech se obvykle používají výkonové kondenzátory, zatímco v elektronických napěťových transformátorech se výkonové kondenzátory nepoužívají, místo toho se používají ekvivalentní kondenzátory.
Struktura dělicího kondenzátoru spočívá v tom, že válcový těleso vyrobené z izolačního materiálu je nasunuto na vodič. Poté se na vnější stranu válce připevní dvousvrstvá flexibilní okruhová deska. Přesný odpor je čipový odpor připevněný na vnější vrstvu flexibilní okruhové desky. Schéma struktury kondenzátoru dělení napětí je znázorněno na obrázku 2.
Kapacita C1 je tvořena vnitřním válcovým tělesem. Vodič je ekvivalentní jedné elektrodě, a vnitřní měděná folie flexibilní okruhové desky je ekvivalentní druhé elektrodě, s izolačním materiálem jako dielektrikem. Kapacita C2 je tvořena vnějším válcovým tělesem. Dvojstranné měděné filmy dvousvrstvé flexibilní okruhové desky jsou ekvivalentní elektrodám, a základní materiál flexibilní okruhové desky, jako je polyimid, slouží jako dielektrik. Jeho radiální pohledový řez je znázorněn na obrázku 3. Ekvivalentní kapacita C lze vypočítat pomocí vzorce.
Ve vzorci: r1 je vnitřní poloměr válce; r2 je vnější poloměr válce; H je délka flexibilního tisknutého okruhu; εr je relativní permitivita elektrolitu; ε0 je permitivita vakuu.
1.2 Princip měření proudu
Elektronické transformátory měří proud pomocí Rogowského cívek. Vztah mezi sekundárním výstupním napětím a primárním vstupním proudem je následující:
Ve vzorci M je konstanta nezávislá na poloze měřeného proudu. Výstupní napětí Rogowské cívky je úměrné derivaci měřeného proudu. Tedy, přidáním integračního spoje za výstup Rogowské cívky lze obnovit měřený proud.
V tomto projektu Rogowská cívka je Rogowská cívka vyrobená z tisknuté okruhové desky. Její citlivost, měřicí přesnost, výkonnostní stabilita, výměnnost produktu a výrobní efektivita jsou všechny lepší než u tradičně zavinutých civek.
Pro snížení rušení příslušného magnetického pole a zlepšení měřicí přesnosti Rogowská cívka vyrobená z tisknuté okruhové desky obvykle používá dvě cívky připojené sériově k tvorbě diferenciálního vstupu. Zavinovací směry těchto dvou PCB civek jsou různé. Jedna je zavinuta podle pravidla pravé ruky, a druhá podle pravidla levé ruky. Tím se generují dvě indukovaná napětí opačných polarit, a výstupní napětí sériového spojení je dvakrát větší než u jedné Rogowské cívky, jak je znázorněno na obrázku 4.
1.2 Princip měření proudu (Pokračování)
Z důvodu různých tepelných roztažností měděné folie a substrátu PCB se jejich deformace liší při změnách teploty. Pro snížení chyb způsobených deformací a prevenci poruchy měděné folie podléhají vyrobené PCB cívky procesu stárnutí teplotou. Tento proces na jednu stranu uvolňuje vnitřní napětí civek, aby byly minimalizovány chyby, a na druhou stranu slouží k selekci civek.
Ačkoli Rogowské cívky s diferenciálním výstupem mají silnou schopnost potlačovat společný režim, rušení elektrického pole 10 kV zůstává značné. Proto je nutné Rogowské cívky zabalit do měděné folie a měděnou folii zazemnit.
2 Složení principu kombinovaných elektronických transformátorů
2.1 Blokový diagram složení kombinovaných elektronických transformátorů
Blokový diagram kombinovaného elektronického transformátoru je znázorněn na obrázku 5. Primární napětí a proud jsou převedeny na sekundární signály kondenzátorem a Rogowskou cívkou. Integrací a posunutím fáze sekundárních signálů lze získat signály úměrné primárním signálům. Pro zlepšení přesnosti lze integraci a fázovou kompenzaci měřicích signálů dosáhnout prostřednictvím metod digitálního zpracování signálů. Nicméně, digitální zpracování signálů má určité zpoždění a nemůže v reálném čase odrážet primární signály. Tato zpracovatelská metoda není vhodná pro ochranné signály. Protože ochranné signály mají nižší požadavky na měřicí přesnost, mohou být analogové obvody přímo použity pro zesilování, integraci a fázovou kompenzaci.
2.2 Struktura čidové hlavy kombinovaného elektronického transformátoru
Kombinovaný elektronický transformátor zapouzdřuje měřicí jednotku napětí a měřicí jednotku proudu do struktury znázorněné na obrázku 6 pomocí epoxidové pryskyřice vakuového lepení.
Rogowská cívka je zavedena na proudový sběrník. Po zesílení je výstupní signál cívky převeden na výstupní terminál přes signální linku. Protože zesilovač vyžaduje dvojitý zdroj napájení, jsou tři z vícekerných signálních linek použity pro přenos energie.
Protože žádný proud neproniká vodičem napěťového transformátoru, a pro zvýšení vzdálenosti plazu, je použita struktura, kde vodič a proudový sběrník jsou kolmé k sobě.
Protože čidová hlava je aktivní, životnost elektronických součástek značně omezuje životnost čidové hlavy elektronického transformátoru. Proto musí být všechny součástky před použitím projity procesem stárnutí a selekce.
Pro zlepšení poměru signál-podíl se proudové a napěťové signály zesilují uvnitř čidové hlavy. Zesilovací obvod pro proudový signál je na PCB cívce, a zesilovací obvod pro napěťový signál je na flexibilní okruhové desce. Jsou použity vysokovýkonné instrumentační zesilovače.
3 Testování kombinovaného elektronického transformátoru
V souladu s výše uvedenými principy a strukturou, stejně jako s normami IEC 60044-7 a IEC 60044-8, byl navržen prototyp integrovaného elektronického transformátoru napětí/proud 10 kV/600 A. Pro napěťový transformátor je měřicí přesnost třídy 0.5, a ochranná třída 3P; pro proudový transformátor je měřicí přesnost třídy 0.2, a ochranná přesnost 5P20.
Během testu jsou elektronickým transformátorem propustny různé proudy a aplikovány různá napětí. Sekundární výstup je veden přes digitální port. Po zobrazení digitálním displejovým jednotkem se porovnává s referenčním proudovým transformátorem a referenčním napěťovým transformátorem. Jeho měřicí přesnost splňuje návrhové požadavky.
Současně se na prototypu provádějí testy síťového frekvenčního výdržového napětí, částečného výboje, bleskového impulzu a elektromagnetické kompatibility. Úspěšné absolvování těchto testů naznačuje správnost návrhového řešení.
4 Závěry
(1) Použitím dělicího kondenzátoru složeného z ekvivalentních kondenzátorů a Rogowské cívky vyrobené z tisknuté okruhové desky jako senzorů napětí a proudu má jednoduchou strukturu, dobré výměnnosti produktu a vysokou měřicí přesnost.
(2) Použitím technologií tisknutých okruhových desk a flexibilních tisknutých okruhových desk lze vytvořit zesilovací obvod uvnitř čidové hlavy, což zlepšuje poměr signál-podíl měřeného signálu.
(3) Kombinace elektronického napěťového transformátoru a elektronického proudového transformátoru do jednoho tvaru kombinovaného transformátoru napětí-proud nejen snižuje náklady na primární zařízení, ale také zlepšuje přesnost a kapacitu sekundárního obvodu pro napětí jedné linky. Splňuje nové požadavky na sekundární měření a ochranu a také odpovídá konceptu řízení moderních elektrických systémů, který bere intervaly spínacího zařízení jako jednotky.
