Yhdistettyjen sähköisten muuntajien mittaustekniikan periaate ja testaus

1 Yhdistettyjen sähköisten muuntajien mittausperiaate
1.1 Jännitemittauksen periaate

Sähköiset muuntajat mittaavat jännitettä kapasitiivisen jännitejako -menetelmällä. Koska kondensaattorin yli kulkeva jännite ei voi muuttua yhtäkkiä, kapasitiivisella jännitejakolla saatu sekundäärijännite on huono transitoriluonteinen vastaus ja mittaustarkkuus on alhainen. Mittaustarkkuuden parantamiseksi tarkkuussampotusresistori kytketään rinnan matalajännitteisen kondensaattorin kanssa. Sen periaate näkyy kuvassa 1.

Kuvassa 1 oletuksena on, että

Jakokapasitorin ulostulovoltti on verrannollinen mitattavan voltin aikaderivaattaan. Integrointiyhteyden lisäämällä voidaan mitata ensimmäisen asteen jännite.

Kuvassa 1, koska suurin osa jänniteputosta tapahtuu C₁-kondensaattorissa, vaaditaan erittäin korkeaa eristystä kondensaattorille C₁. Sähkömagneettisissa jännitemuuntajissa käytetään yleensä tehocondensaattoreita, kun taas sähköisissä jännitemuuntajissa tehocondensaattoreita ei käytetä, vaan käytetään vastaavia condensaattoreita.

Jakokapasitorin rakenne on sellainen, että eristysmateriaalista valmistettu sylinteri asetetaan johtavalle sauvalle. Sitten kaksikerroksinen joustava piirilevy kiinnitetään sylinterin ulkopuolelle. Tarkkuussampotusresistori on chip-resistori, joka on kiinnitetty joustavan piirilevyn ulompaan kerrokseen. Kapasitorijännitejako -rakenteen kaavio on kuvassa 2.

C₁-kapasitanssi muodostetaan sisemman sylinterin avulla. Johtavasauva toimii yhtenä elektrodina, ja joustavan piirilevyn sisempi kuparipohja toimii toisena elektrodina, eristysmateriaali toimii dielektrikkona. C₂-kapasitanssi muodostetaan ulomman sylinterin avulla. Kaksikerroksisen joustavan piirilevyn kaksipuoliset kuparipohjat toimivat elektrodeina, ja joustavan piirilevyn materiaali, kuten polyyimide, toimii dielektrikkona. Sen säteittäinen poikkileikkaus on kuvassa 3. Vastaava kapasitanssi C voidaan laskea kaavalla.

Kaavassa: r₁ on sylinterin sisäinen säde; r₂ on sylinterin ulkoinen säde; H on joustavan painettujen piirilevyjen pituus; ε_r on dielektriikan suhteellinen sähkökyky; ε₀ on tyhjiön sähkökyky.

1.2 Virtamittauksen periaate

Sähköiset muuntajat mittaavat virtaa Rogowskin pyyhkeillä. Sekundääriulostulovoltin ja ensimmäisen asteen syöttövirtan välinen suhde on seuraava:

Kaavassa M on vakio, joka on riippumaton mitatun virran sijainnista. Rogowskin pyyhkeen ulostulovoltti on verrannollinen mitatun virran derivaattaan. Lisäämällä integrointiyhteyden Rogowskin pyyhkeen ulostulon jälkeen voidaan palauttaa mitattu virta.

Tässä projektissa Rogowskin pyyhke on painetusta piirilevystä valmistettu. Sensitiivisyys, mittaustarkkuus, suorituskyvyn vakaus, tuotteiden vaihdettavuus ja tuotantotehokkuus ovat kaikki parempia kuin perinteisesti kiertämällä valmistettujen pyyhkeiden.

Lisäkomponenttien magneettikentän häiriön vähentämiseksi ja mittaustarkkuuden parantamiseksi painetusta piirilevystä valmistetussa Rogowskin pyyhkeessä yleensä käytetään kahden sarjaan kytkettyä pyyhkeä differentiaalisisäänmenoon. Nämä kaksi PCB-pyyhkeen kiertosuunnat ovat erilaiset. Toinen kierretään oikean käden säännön mukaan, toinen vasemman käden säännön mukaan. Näin syntyy kaksi päinvastaisesti napautuneita induoituja volttia, ja sarjaan kytkettyjen ulostulovoltti on kaksinkertainen yhden Rogowskin pyyhkeen verrattuna, kuten kuvassa 4.

1.2 Virtamittauksen periaate (jatkoa)

Kuparipohjan ja PCB-alustan lämpölaajennuskerroin eroavat, joten niiden muodonmuutosten määrä on erilainen lämpötilan muuttuessa. Vaihteluiden aiheuttamien virheiden vähentämiseksi ja kuparipohjan katkeamisen estämiseksi valmistetut PCB-pyyhkeet käsitellään lämpövanhenemisprosessilla. Tämä prosessi puolestaan vapauttaa pyyhkeiden sisäisen jännityksen virheitä vähentääksesi ja pyyhkeitä valitsemaan.

Vaikka differentiaalisella ulostulolla varustetulla Rogowskin pyyhkillä on vahva yhteismoodin häiriösuppeutuskyky, 10 kV:n sähkökentän häiriö on edelleen merkittävä. Siksi on tarpeellista peittää Rogowskin pyyhkeet kupariharpulla ja maata kupariharppu.

2 Yhdistettyjen sähköisten muuntajien koosteperiaate
2.1 Yhdistettyjen sähköisten muuntajien koosteblokidiagrammi

Yhdistetyn sähköisen muuntajan blokidiagrammi on kuvassa 5. Ensimmäisen asteen jännite ja virta muunnetaan sekundäärisiksi signaaleiksi kondensaattorin ja Rogowskin pyyhkeen avulla. Sekundäärisignaalien integroimalla ja vaihesiirtymällä voidaan saada signaaleja, jotka ovat verrannollisia ensimmäisen asteen signaaleihin. Mittaustarkkuuden parantamiseksi mittaussignaloiden integrointi ja vaihekorjauksen voidaan toteuttaa digitaalisen signaalinkäsittelyn menetelmin. Digitaalinen signaalinkäsittely aiheuttaa kuitenkin jonkin viiveen eikä pysty heijastamaan ensimmäisen asteen signaaleja reaaliaikaisesti. Tämä käsittelymenetelmä ei ole soveltuva suojaussignaaleille. Koska suojaussignaaleilla on alempi vaatimus mittaustarkkuuteen, analogiset piirit voidaan käyttää suoraan vahvistukseen, integrointiin ja vaihekorjaukseen.

2.2 Yhdistetyn sähköisen muuntajan anturin rakenne

Yhdistetty sähköinen muuntaja paketoija jännitemittayksikön ja virtamittayksikön epoksiharjun avulla tyhjiökäsittelyllä kuvassa 6 esitettyyn rakenteeseen.

Rogowskin pyyhke on kaiverrettu virtajohtavan busbarin ympärille. Vahvistettua pyyhkeen ulostulosisaaliota lähetetään signaalikaapelilla ulostulopisteeseen. Koska vahvistin vaatii kaksisuuntaista voimantoimitusta, kolme monijohtaisen signaalikaapelin johtoa käytetään voiman siirtämiseen.

Koska jännitemuuntajan johtavassa sauvasessa ei kulje virtaa, ja lisätäksemme kulkumatkaa, käytetään rakennetta, jossa johtavasauva ja virtajohtava busbar ovat kohtisuorassa toisiinsa.

Koska anturi on aktiivinen, elektronisten komponenttien käyttöikä rajoittaa sähköisen muuntajan anturin käyttöikää. Siksi kaikki komponentit on ikäänetty ennen käyttöä.

Signaalihuomion parantamiseksi virta- ja jännitesignaalit vahvistetaan anturin sisällä. Virtasignaalin vahvistuskirjoitus on PCB-pyyhkeellä, ja jännitesignaalin vahvistuskirjoitus on joustavalla piirilevyllä. Vahvistimiin käytetään korkeasuorituskykyisiä mittavahvistimia.

3 Yhdistetyn sähköisen muuntajan testaus

Edellä mainittujen periaatteiden, rakenteen, IEC 60044-7:n ja IEC 60044-8:n standardien mukaisesti on suunniteltu 10 kV/600 A:n yhdistetty jännite/virta-sähköinen muuntaja. Jännitemuuntajalle mittaustarkkuusluokka on 0,5, ja suojataso on 3P; virtamuuntajalle mittaustarkkuusluokka on 0,2, ja suojatarkkuus on 5P20.

Testauksessa eri virtaa ohjataan sähköiseen muuntajaan ja eri jännitteitä sovitetaan siihen. Sekundääriulostulo välitetään digitaalisesta portista. Digituuloyksikön näyttäessä sitä verrataan vertailuvirtamuuntajiin ja vertailujännitemuuntajiin. Mittaustarkkuus täyttää suunnitteluperusteet.

Samalla prototyypille suoritetaan sähköhuuto-, osittaispurkautumiskokeet, ukkoskulmakokeet ja sähkömagneettinen yhteensopivuuskokeet. Nämä kokeiden läpäisy osoittaa suunnittelun oikeellisuuden.

4 Johtopäätökset

(1) Vastaavien kondensaattoreiden ja painetusta piirilevystä valmistetun Rogowskin pyyhkeen käytöllä jännite- ja virtamittareina, sillä on yksinkertainen rakenne, hyvä tuotteenvaihdettavuus ja korkea mittaustarkkuus.

(2) Painetun piirilevyn ja joustavan painetun piirilevyn teknologioiden käytöllä vahvistuskirjoitus voidaan rakentaa anturin sisälle, mikä parantaa mittaussignaloiden signaalihuomiota.

(3) Yhdistämällä sähköinen jännitemuuntaja ja sähköinen virtamuuntaja yhdeksi yhdistetyksi jännite-virtamuuntajaksi, voidaan vähentää ensimmäisen asteen laitteiden kustannuksia, mutta myös parantaa toissijaisen piirin tarkkuutta ja kapasiteettia yhden linjan jännitteen osalta. Se vastaa uusia toissijaisen mittauksen ja suojauksen vaatimuksia ja noudattaa myös nykyaikaisen sähköverkon hallintakäsitettä, jossa switchgear-intervallit toimivat yksikköinä.