Principio de Medición Composición y Prueba de Transformadores Electrónicos Combinados
1 Principio de Medición de los Transformadores Electrónicos Combinados
1.1 Principio de Medición de Voltaje
Los transformadores electrónicos miden el voltaje utilizando el método de división de voltaje capacitiva. Dado que el voltaje a través de un condensador no puede cambiar bruscamente, el voltaje secundario obtenido directamente mediante la división de voltaje capacitiva tiene una mala respuesta transitoria y baja precisión de medición. Para mejorar la precisión de medición, se conecta en paralelo un resistor de muestreo preciso a través del condensador de bajo voltaje. Su principio se muestra en la Figura 1.
En la Figura 1, bajo la condición de que
El voltaje de salida del condensador divisor es proporcional a la derivada temporal del voltaje medido. Al agregar un enlace de integración, se puede medir el voltaje primario.
En la Figura 1, dado que la mayor parte de la caída de voltaje ocurre a través de C1, hay requisitos muy altos para el aislamiento del condensador C1. En los transformadores de voltaje electromagnéticos, generalmente se utilizan condensadores de potencia, mientras que en los transformadores de voltaje electrónicos, no se utilizan condensadores de potencia; en su lugar, se adoptan condensadores equivalentes.
La estructura del condensador divisor de voltaje es que un cilindro hecho de material aislante se coloca sobre un varilla conductora. Luego, una placa de circuito flexible de doble capa se adhiere al exterior del cilindro. El resistor preciso es un resistor de chip adherido a la capa externa de la placa de circuito flexible. El diagrama esquemático de la estructura del divisor de voltaje del condensador se muestra en la Figura 2.
La capacitancia de C1 se forma por el cilindro interno. La varilla conductora es equivalente a una placa de electrodos, y la película de cobre interna de la placa de circuito flexible es equivalente a la otra placa de electrodos, con el material aislante como dieléctrico. La capacitancia de C2 se forma por el cilindro externo. Las películas de cobre de doble cara de la placa de circuito flexible de doble capa son equivalentes a las placas de electrodos, y el material base de la placa de circuito flexible, como el poliimida, sirve como dieléctrico. Su vista transversal radial se muestra en la Figura 3. La capacitancia equivalente C se puede calcular mediante la fórmula.
En la fórmula: r1 es el radio interno del cilindro; r2 es el radio externo del cilindro; H es la longitud de la placa de circuito impreso flexible; εr es la permitividad relativa del electrolito; ε0 es la permitividad del vacío.
1.2 Principio de Medición de Corriente
Los transformadores electrónicos utilizan bobinas Rogowski para medir la corriente. La relación entre el voltaje de salida secundario y la corriente de entrada primaria es la siguiente:
En la fórmula, M es una constante irrelevante para la posición de la corriente medida. El voltaje de salida de la bobina Rogowski es proporcional a la derivada de la corriente medida. Por lo tanto, al agregar un enlace de integración después de la salida de la bobina Rogowski, se puede restaurar la corriente medida.
En este proyecto, la bobina Rogowski es una bobina Rogowski hecha de una placa de circuito impreso. Su sensibilidad, precisión de medición, estabilidad de rendimiento, intercambiabilidad del producto y eficiencia de producción son superiores a las de las bobinas enrolladas tradicionalmente.
Para reducir la interferencia del campo magnético accesorio y mejorar la precisión de medición, la bobina Rogowski hecha de una placa de circuito impreso generalmente utiliza dos bobinas conectadas en serie para formar una entrada diferencial. Las direcciones de bobinado de estas dos bobinas de PCB son diferentes. Una se enrolla según la regla de la mano derecha, y la otra según la regla de la mano izquierda. De esta manera, se generan dos voltajes inducidos con polaridades opuestas, y el voltaje de salida de la conexión en serie es el doble del de una sola bobina Rogowski, como se muestra en la Figura 4.
1.2 Principio de Medición de Corriente (Continuación)
Debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica de la película de cobre y el sustrato de PCB, sus cantidades de deformación son diferentes cuando cambia la temperatura. Para reducir los errores causados por la deformación y prevenir la rotura de la película de cobre, las bobinas de PCB fabricadas pasan por un proceso de envejecimiento térmico. Este proceso, por un lado, libera la tensión interna de las bobinas para minimizar los errores, y por otro, sirve para cribar las bobinas.
Aunque las bobinas Rogowski con salida diferencial tienen una fuerte capacidad de supresión de modo común, la interferencia del campo eléctrico de 10 kV sigue siendo significativa. Por lo tanto, es necesario envolver las bobinas Rogowski con lámina de cobre y conectar a tierra la lámina de cobre.
2 Principio de Composición de los Transformadores Electrónicos Combinados
2.1 Diagrama de Bloques de los Transformadores Electrónicos Combinados
El diagrama de bloques del transformador electrónico combinado se muestra en la Figura 5. El voltaje y la corriente primarios se convierten en señales secundarias mediante el condensador y la bobina Rogowski. Integrando y desfasando las señales secundarias, se pueden obtener señales proporcionales a las señales primarias. Para mejorar la precisión, la integración y la compensación de fase de las señales de medición se pueden lograr mediante métodos de procesamiento de señal digital. Sin embargo, el procesamiento de señal digital tiene un cierto retraso y no puede reflejar las señales primarias en tiempo real. Por lo tanto, este método de procesamiento no es adecuado para señales de protección. Dado que las señales de protección tienen menores requisitos de precisión de medición, se pueden utilizar circuitos analógicos directamente para amplificación, integración y procesamiento de compensación de fase.
2.2 Estructura de la Cabeza de Detección del Transformador Electrónico Combinado
El transformador electrónico combinado encapsula la unidad de medición de voltaje y la unidad de medición de corriente en la estructura mostrada en la Figura 6 utilizando fundición al vacío de resina epoxi.
La bobina Rogowski se funde sobre la barra colectora de corriente. Después de la amplificación, la señal de salida de la bobina se envía al terminal de salida a través de una línea de señal. Dado que el amplificador requiere una alimentación dual, 3 de las líneas de señal multicables se utilizan para la transmisión de energía.
Dado que no hay corriente que fluye a través de la varilla conductora del transformador de voltaje, y para aumentar la distancia de arrastre, se adopta una estructura donde la varilla conductora y la barra colectora de corriente son perpendiculares entre sí.
Dado que la cabeza de detección es de tipo activo, la vida útil de los componentes electrónicos restringe severamente la vida útil de la cabeza de detección del transformador electrónico. Por lo tanto, todos los componentes deben someterse a un proceso de selección por envejecimiento antes de su uso.
Para mejorar la relación señal-ruido, las señales de corriente y voltaje se amplifican dentro de la cabeza de detección. El circuito de amplificación para la señal de corriente está en la bobina de PCB, y el circuito de amplificación para la señal de voltaje está en la placa de circuito flexible. Se utilizan amplificadores instrumentales de alto rendimiento para los amplificadores.
3 Pruebas del Transformador Electrónico Combinado
De acuerdo con los principios y la estructura mencionados anteriormente, así como con las normas IEC 60044-7 y IEC 60044-8, se ha diseñado un prototipo de transformador electrónico combinado de 10 kV/600 A. Para el transformador de voltaje, la precisión de medición es Clase 0.5, y el nivel de protección es 3P; para el transformador de corriente, la precisión de medición es Clase 0.2, y la precisión de protección es 5P20.
Durante la prueba, se pasan diferentes corrientes a través del transformador electrónico y se aplican diferentes voltajes. La salida secundaria se emite a través de un puerto digital. Después de ser mostrada por la unidad de visualización digital, se compara con el transformador de corriente de referencia y el transformador de voltaje de referencia. Su precisión de medición cumple con los requisitos de diseño.
Al mismo tiempo, se realizan pruebas de resistencia a voltaje de frecuencia de red, descarga parcial, impulso de rayo y compatibilidad electromagnética en el prototipo. La aprobación de estas pruebas indica la corrección del esquema de diseño.
4 Conclusiones
(1) Utilizando un condensador divisor de voltaje compuesto por condensadores equivalentes y una bobina Rogowski hecha con una placa de circuito impreso como sensores de voltaje y corriente, tiene una estructura simple, buena intercambiabilidad de productos y alta precisión de medición.
(2) Al adoptar tecnologías de placa de circuito impreso y placa de circuito impreso flexible, se puede construir el circuito de amplificación dentro de la cabeza de detección, mejorando la relación señal-ruido de la señal de medición.
(3) Combinando el transformador de voltaje electrónico y el transformador de corriente electrónico en uno para formar un transformador combinado de voltaje-corriente, no solo se puede reducir el costo del equipo primario, sino también mejorar la precisión y la capacidad del circuito secundario para el voltaje de una sola línea. Cumple con los nuevos requisitos de medición y protección secundaria, y también se ajusta al concepto de control de los sistemas de potencia modernos que toman los intervalos de interruptores como unidades.
