Messprinzip Zusammensetzung und Prüfung kombinierter elektronischer Transformatoren
1 Messprinzip kombinierter elektronischer Transformatoren
1.1 Spannungsmessprinzip
Elektronische Transformatoren messen die Spannung mit der Kapazitiv-Spannungsteilungsmethode. Da die Spannung über einem Kondensator nicht plötzlich ändern kann, hat die sekundäre Spannung, die direkt durch kapazitive Spannungsteilung erhalten wird, eine schlechte Übergangsantwort und eine geringe Messgenauigkeit. Um die Messgenauigkeit zu verbessern, wird ein Präzisionsmesswiderstand parallel zum Niederdruckkondensator geschaltet. Sein Prinzip ist in Abbildung 1 dargestellt.
In Abbildung 1, unter der Bedingung dass
Die Ausgangsspannung des Spannungsteiler-Kondensators ist proportional zur zeitlichen Ableitung der gemessenen Spannung. Durch Hinzufügen eines Integrationsglieds kann die Primärspannung gemessen werden.
In Abbildung 1 fällt die meiste Spannungsabnahme an C1 ab, weshalb es sehr hohe Anforderungen an die Isolierung des Kondensators C1 gibt. Bei elektromagnetischen Spannungstransformatoren werden in der Regel Starkstromkondensatoren verwendet, während bei elektronischen Spannungstransformatoren keine Starkstromkondensatoren, sondern äquivalente Kondensatoren verwendet werden.
Die Struktur des Spannungsteiler-Kondensators besteht darin, dass ein Zylinder aus isolierendem Material auf einen leitenden Stab aufgezogen wird. Dann wird eine zweischichtige flexibler Leiterplatte an der Außenseite des Zylinders angebracht. Der Präzisionswiderstand ist ein Chip-Widerstand, der an der äußeren Schicht der flexiblen Leiterplatte angebracht ist. Das strukturelle Schaubild des Kondensator-Spannungsteilers ist in Abbildung 2 dargestellt.
Die Kapazität von C1 wird durch den inneren Zylinder gebildet. Der leitende Stab entspricht einer Elektrode, und das innere Kupferfolien der flexiblen Leiterplatte entspricht der anderen Elektrode, wobei das Isoliermaterial als Dielektrikum dient. Die Kapazität von C2 wird durch den äußeren Zylinder gebildet. Die beidseitigen Kupferfolien der zweischichtigen flexiblen Leiterplatte entsprechen den Elektroden, und das Basismaterial der flexiblen Leiterplatte, wie Polyimid, dient als Dielektrikum. Ihr radiales Querschnittsbild ist in Abbildung 3 dargestellt. Die äquivalente Kapazität C kann durch Formel berechnet werden.
In der Formel: r1 ist der Innendurchmesser des Zylinders; r2 ist der Außendurchmesser des Zylinders; H ist die Länge der flexiblen Leiterplatte; εr ist die relative Permittivität des Elektrolyten; ε0 ist die Vakuum-Permittivität.
1.2 Strommessprinzip
Elektronische Transformatoren verwenden Rogowski-Spulen, um den Strom zu messen. Das Verhältnis zwischen der sekundären Ausgangsspannung und dem primären Eingangsstrom lautet wie folgt:
In der Formel ist M eine Konstante, die unabhängig von der Position des gemessenen Stroms ist. Die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule ist proportional zur Ableitung des gemessenen Stroms. Daher kann durch Hinzufügen eines Integrationsgliedes nach der Ausgabe der Rogowski-Spule der gemessene Strom wiederhergestellt werden.
In diesem Projekt wird die Rogowski-Spule aus einer gedruckten Schaltplatte hergestellt. Ihre Empfindlichkeit, Messgenauigkeit, Leistungsstabilität, Produktinteroperabilität und Produktionsleistung sind alle besser als die traditionell gewickelten Spulen.
Um die Störung des Nebenfeldes zu reduzieren und die Messgenauigkeit zu verbessern, verwendet die Rogowski-Spule aus gedruckter Schaltplatte in der Regel zwei Serienschaltungen, um eine Differenzialeingabe zu bilden. Die Wicklungsrichtungen dieser beiden PCB-Spulen sind unterschiedlich. Eine wird nach der Rechten-Hand-Regel gewickelt, und die andere nach der Linken-Hand-Regel. Auf diese Weise werden zwei induzierte Spannungen mit entgegengesetzten Polen erzeugt, und die Ausgangsspannung der Serienschaltung ist doppelt so hoch wie die einer einzelnen Rogowski-Spule, wie in Abbildung 4 gezeigt.
1.2 Strommessprinzip (Fortsetzung)
Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupferfolie und PCB-Substrat unterscheiden sich ihre Deformationsmengen, wenn sich die Temperatur ändert. Um Fehler durch Deformation zu reduzieren und Brüche in der Kupferfolie zu verhindern, werden die hergestellten PCB-Spulen einem Temperaturalterungsprozess unterzogen. Dieser Prozess löst einerseits die interne Spannung der Spulen, um Fehler zu minimieren, und andererseits dient er zur Selektion der Spulen.
Obwohl Rogowski-Spulen mit differenzieller Ausgabe eine starke Fähigkeit zur Unterdrückung von Gemeinschaftsmoden haben, bleibt die Störung durch ein 10 kV-Elektrisches Feld signifikant. Daher ist es notwendig, die Rogowski-Spulen mit Kupferfolie zu umwickeln und die Kupferfolie zu erden.
2 Zusammensetzungsprinzip kombinierter elektronischer Transformatoren
2.1 Blockschaltbild kombinierter elektronischer Transformatoren
Das Blockschaltbild des kombinierten elektronischen Transformers ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Primärspannung und -strom werden durch den Kondensator und die Rogowski-Spule in Sekundärsignale umgewandelt. Durch Integration und Phasenverschiebung der Sekundärsignale können Signale erhalten werden, die proportional zu den Primärsignalen sind. Um die Genauigkeit zu verbessern, kann die Integration und Phasenkompensation der Messsignale durch digitale Signalverarbeitungsmethoden erreicht werden. Allerdings hat die digitale Signalverarbeitung eine bestimmte Verzögerung und kann die Primärsignale nicht in Echtzeit widerspiegeln. Daher ist diese Verarbeitungsmethode für Schutzsignale nicht geeignet. Da Schutzsignale geringere Anforderungen an die Messgenauigkeit haben, können analoge Schaltkreise direkt zur Verstärkung, Integration und Phasenkompensation verwendet werden.
2.2 Struktur des Sensorkopfes des kombinierten elektronischen Transformers
Der kombinierte elektronische Transformer umhüllt die Spannungsmesseinheit und die Strommesseinheit in der in Abbildung 6 dargestellten Struktur mithilfe von Epoxidharz-Vakuumschützen.
Die Rogowski-Spule wird auf den Stromleiter gegossen. Nach der Verstärkung wird das Spulenausgangssignal über ein Signalleitungsende gesendet. Da der Verstärker eine Doppelspannungsversorgung benötigt, werden 3 der mehradrigen Signalleitungen für die Spannungsversorgung verwendet.
Da kein Strom durch den leitenden Stab des Spannungstransformators fließt und um den Kriechweg zu erhöhen, wird eine Struktur verwendet, bei der der leitende Stab und der Stromleiter senkrecht zueinander stehen.
Da der Sensorkopf aktiv ist, beschränkt die Lebensdauer der elektronischen Bauteile stark die Lebensdauer des elektronischen Transformatorsensorkopfes. Daher müssen alle Bauteile vor der Verwendung einem Alterungsselektionsprozess unterzogen werden.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, werden Strom- und Spannungssignale im Sensorkopf verstärkt. Der Verstärkerschaltkreis für das Stromsignal befindet sich auf der PCB-Spule, und der Verstärkerschaltkreis für das Spannungssignal befindet sich auf der flexiblen Leiterplatte. Hochleistungs-Instrumentenverstärker werden für die Verstärker verwendet.
3 Prüfung des kombinierten elektronischen Transformers
Gemäß den oben genannten Prinzipien und Struktur sowie den Normen IEC 60044-7 und IEC 60044-8 wurde ein integrierter Spannungs-/Strom-Elektronentransformator-Prototyp für 10 kV/600 A entwickelt. Für den Spannungstransformer beträgt die Messgenauigkeit Klasse 0.5, und der Schutzniveau ist 3P; für den Stromtransformator beträgt die Messgenauigkeit Klasse 0.2, und die Schutzgenauigkeit ist 5P20.
Während der Prüfung werden verschiedene Ströme durch den elektronischen Transformer geleitet und verschiedene Spannungen angewendet. Die sekundäre Ausgabe wird über einen digitalen Port ausgegeben. Nach der Anzeige durch die digitale Anzeigeeinheit wird sie mit dem Referenzstromtransformator und dem Referenzspannungstransformator verglichen. Ihre Messgenauigkeit entspricht den Entwurfsanforderungen.
Gleichzeitig werden Netzfrequenz-Baustoffprüfungen, Teilentladungsprüfungen, Blitzimpulsprüfungen und elektromagnetische Verträglichkeitsprüfungen am Prototyp durchgeführt. Das Bestehen dieser Prüfungen zeigt die Richtigkeit des Entwurfsschemas.
4 Schlussfolgerungen
(1) Durch die Verwendung eines Spannungsteiler-Kondensators, der aus äquivalenten Kondensatoren besteht, und einer Rogowski-Spule, die mit einer gedruckten Schaltplatte hergestellt wird, als Spannungs- und Stromsensoren, hat es eine einfache Struktur, gute Produktinteroperabilität und hohe Messgenauigkeit.
(2) Durch die Verwendung von gedruckten Schaltplatten und flexiblen gedruckten Schaltplatten kann der Verstärkerschaltkreis im Sensorkopf aufgebaut werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Messsignals verbessert.
(3) Die Kombination des elektronischen Spannungstransformators und des elektronischen Stromtransformators in einem kombinierten Spannungs-Strom-Transformer kann nicht nur die Kosten der Primärausrüstung reduzieren, sondern auch die Genauigkeit und Kapazität des Sekundärkreises für die Spannung einer einzelnen Leitung verbessern. Es erfüllt die neuen Anforderungen an sekundäre Messung und Schutz und entspricht auch dem Steuerkonzept moderner Stromsysteme, das Schaltgerätintervalle als Einheiten nimmt.
