Målingsprincip Komposition og test af kombinerede elektroniske transfomatorer

1 Målingsprincip for kombinerede elektroniske transformatorer
1.1 Spændingsmålingsprincip

Elektroniske transformatorer måler spænding ved hjælp af kapacitiv spændingsfordeling. Da spændingen over en kondensator ikke kan ændre sig abrupt, har den sekundære spænding, der opnås direkte gennem kapacitiv spændingsfordeling, dårlig transient respons og lav målnøjagtighed. For at forbedre målnøjagtigheden er en præcis sampling resistor forbundet parallel med den lavspændingskondensator. Dens princip er vist i figur 1.

I figur 1, under forholdet at

Den udgående spænding fra spændingsfordelingskondensatoren er proportionel til tidsafledningen af den målte spænding. Ved at tilføje en integrationsforbindelse kan primærespændingen måles.

I figur 1 foregår det meste af spændingsfaldet over C₁, hvilket stiller meget høje krav til isolationen af kondensatoren C₁. I elektromagnetiske spændingstransformatorer bruges generelt strømkondensatorer, mens i elektroniske spændingstransformatorer bruges ikke strømkondensatorer, men i stedet ekvivalente kondensatorer.

Strukturen af spændingsfordelingskondensatoren er, at en cylinder lavet af isolerende materiale sættes på en ledende stav. Herefter flettes en dobbeltsidet fleksibel kredskort på ydersiden af cylinderen. Den præcise resistor er en chipresistor, der er monteret på den ydre side af det fleksible kredskort. Strukturen af kondensatorspændingsfordeleren er vist i figur 2.

Kapacitancen af C₁ dannes af den indre lag cylinde. Ledningsstaven er lig med den ene elektrod, og den indre kobberfilm på det fleksible kredskort er lig med den anden elektrod, med isolerende materiale som dielektrikum. Kapacitancen af C₂ dannes af den ydre lag cylinde. De dobbeltsidede kobberfilm på det dobbeltsidet fleksible kredskort er lig med elektroderne, og basismaterialet for det fleksible kredskort, som polyimid, fungerer som dielektrikum. Dets radielle tværsnit er vist i figur 3. Den ekvivalente kapacitance C kan beregnes ved hjælp af formel.

I formel: r₁ er den indre radius af cylinderen; r₂ er den ydre radius af cylinderen; H er længden af det fleksible trykpladekort; ε_r er relativ permittivitet af elektrolytet; ε₀ er vakuumpermittivitet.

1.2 Strømmålingsprincip

Elektroniske transformatorer bruger Rogowski-spiraler til at måle strøm. Forholdet mellem den sekundære udgangsspænding og den primære indgangsstrøm er som følger:

I formel er M en konstant, der er uafhængig af positionen af den målte strøm. Udgangsspændingen fra Rogowski-spiralen er proportionel til afledningen af den målte strøm. Derfor kan den målte strøm genoprettes ved at tilføje en integrationsforbindelse efter udgangen af Rogowski-spiralen.

I dette projekt er Rogowski-spiralen en Rogowski-spiral lavet af et trykpladekort. Dens følsomhed, målnøjagtighed, ydeevnestabilitet, produktinteroperabilitet og produktionsudbytte er alle bedre end dem af traditionelt vindede spiraler.

For at reducere støj fra tilbehørsfeltet og forbedre målnøjagtigheden, bruger de fleste Rogowski-spiraler lavet af trykpladekort normalt to spiraler forbundet i serie til at danne en differentialindgang. Vindingretninger af disse to PCB-spiraler er forskellige. Den ene er vindet ifølge højrehåndsreglen, og den anden er vindet ifølge venstrehåndsreglen. På denne måde dannes to inducerede spændinger med modsatte polariteter, og udgangsspændingen af serien forbindelse er dobbelt så stor som en enkelt Rogowski-spiral, som vist i figur 4.

1.2 Strømmålingsprincip (fortsat)

Pga. de forskellige termiske udvidelseskoefficienter af kobberfilmen og PCB-substratet, er deres deformationsmængder forskellige, når temperaturen ændres. For at reducere fejl, der skyldes deformation, og forhindre kobberfilmbrud, udsættes de producerede PCB-spiraler for en temperaturaldringsproces. Denne proces frigiver spiralerne internt stress for at minimere fejl og samtidig skærme spiralerne.

Selvom Rogowski-spiraler med differentialudgang har stærk fællesmodstandskraft, er 10 kV elektrisk feltstøj stadig betydelig. Derfor er det nødvendigt at omhylle Rogowski-spiraler med kobberfolie og jorde kobberfolien.

2 Sammensætningsprincip for kombinerede elektroniske transformatorer
2.1 Sammensætningsblokdiagram for kombinerede elektroniske transformatorer

Blokdiagrammet for den kombinerede elektroniske transformator er vist i figur 5. Den primære spænding og strøm omdannes til sekundære signaler af kondensatoren og Rogowski-spiralen. Ved at integrere og fasejustere de sekundære signaler kan signaler, der er proportionale med de primære signaler, opnås. For at forbedre nøjagtigheden kan integration og fasekompensation af målesignaler opnås gennem digitale signalbehandlingsmetoder. Dog har digitale signalbehandlinger en vis forsinkelse og kan ikke reflektere de primære signaler i realtid. Således er denne behandlingsmetode ikke egnet til beskyttelsessignaler. Eftersom beskyttelsessignaler har lavere krav til målnøjagtighed, kan analoge kredsløb direkte anvendes til forstærkning, integration og fasekompensation.

2.2 Struktur af sensorhovedet for den kombinerede elektroniske transformator

Den kombinerede elektroniske transformator pakker spændingsmåleenheden og strømmåleenheden ind i strukturen, som vist i figur 6, ved hjælp af epoxy-resinundertrykksformning.

Rogowski-spiralen er formet på strømførende busbar. Efter forstærkning sendes spiralens udgangssignal til udgangsterminalen via et signalline. Da forstærkeren kræver en dobbelt strømforsyning, bruges 3 af de flerkernede signallinjer til strømforsyning.

Da der ingen strøm løber gennem den ledende stav i spændingstransformator, og for at øge krybavstanden, anvendes en struktur, hvor den ledende stav og strømførende busbar er vinkelrette på hinanden.

Eftersom sensorhovedet er aktivt, begrænser elektronkomponenternes levetid alvorligt levetiden af elektrontransformatorer. Derfor skal alle komponenter gennemgå en aldringsproces før anvendelse.

For at forbedre signal-støj-forholdet, forstærkes strøm- og spændingssignaler indeni sensorhovedet. Forstærkningskredsløbet for strømsignalet er på PCB-spiralen, og forstærkningskredsløbet for spændingssignalet er på det fleksible kredskort. Højtydende instrumentforstærkere bruges til forstærkere.

3 Test af den kombinerede elektroniske transformator

I overensstemmelse med ovennævnte principper og struktur, samt IEC 60044-7 og IEC 60044-8 standarder, er en 10 kV/600 A integreret spænding/strøm elektrontransformator prototype blevet designet. For spændingstransformator, er målenøjagtigheden klasse 0.5, og beskyttelsesniveauet er 3P; for strømtransformator, er målenøjagtigheden klasse 0.2, og beskyttelsesnøjagtigheden er 5P20.

Under test passereres forskellige strømmer gennem elektrontransformator og forskellige spændinger anvendes på den. Sekundært udgang er udgivet gennem en digital port. Efter at være vist af det digitale displayenhed, sammenlignes det med referencestrømtransformator og referencespændingtransformator. Dens målenøjagtighed opfylder designkravene.

Samtidig udføres netfrekvens holdbarhedsspænding, partielle udladninger, lynnedslag, og elektromagnetisk kompatibilitetstest på prototypen. At disse tester passer indikerer korrekthed af designschemat.

4 Konklusioner

(1) Ved at bruge en spændingsfordelingskondensator sammensat af ekvivalente kondensatorer og en Rogowski-spiral lavet med et trykpladekort som spændings- og strømsensorer, har den en simpel struktur, god produktinteroperabilitet og høj målnøjagtighed.

(2) Ved at anvende trykpladekort- og fleksibelt trykpladekort-teknologier, kan forstærkningskredsløbet bygges ind i sensorhovedet, hvilket forbedrer signal-støj-forholdet af målesignalet.

(3) Ved at kombinere den elektroniske spændingstransformator og den elektroniske strømtransformator til én, danner en kombineret spænding-strøm-transformator, kan det ikke kun reducere omkostningerne til primærudstyr, men også forbedre nøjagtigheden og kapaciteten af sekundærkredsløbet for spændingen af en enkelt linje. Det opfylder de nye krav til sekundær metering og beskyttelse, og det er også i overensstemmelse med kontrolkonceptet for moderne strømsystemer, der tager switchgear intervaller som enheder.