Prinsipyong Pagsukat sa Komposisyon at Pagsusulit ng Naka-combine na Electronic Transformers

1 Prinsip Pengukuran Transformer Elektronik Gabungan
1.1 Prinsip Pengukuran Tegangan

Transformer elektronik mengukur tegangan menggunakan metode pembagian tegangan kapasitif. Karena tegangan di seberang kapasitor tidak dapat berubah secara tiba-tiba, tegangan sekunder yang diperoleh langsung melalui pembagian tegangan kapasitif memiliki respons transien yang buruk dan akurasi pengukuran yang rendah. Untuk meningkatkan akurasi pengukuran, sebuah resistor sampling presisi diparalelkan di seberang kapasitor tekanan rendah. Prinsipnya ditunjukkan pada Gambar 1.

Pada Gambar 1, dalam kondisi bahwa

Tegangan output dari kapasitor pembagi tegangan sebanding dengan turunan waktu dari tegangan yang diukur. Dengan menambahkan tautan integrasi, tegangan primer dapat diukur.

Pada Gambar 1, karena sebagian besar penurunan tegangan terjadi di C₁, ada persyaratan isolasi yang sangat tinggi untuk kapasitor C₁. Dalam transformer tegangan elektromagnetik, kapasitor daya umumnya digunakan, sementara dalam transformer tegangan elektronik, kapasitor daya tidak digunakan; alih-alih, kapasitor ekuivalen digunakan.

Struktur kapasitor pembagi tegangan adalah silinder yang terbuat dari bahan isolator dipasangkan pada batang konduktif. Kemudian, papan sirkuit fleksibel dua lapis ditempelkan di luar silinder. Resistor presisi adalah resistor chip yang ditempelkan ke lapisan luar papan sirkuit fleksibel. Diagram skematis struktur kapasitor pembagi tegangan ditunjukkan pada Gambar 2.

Kapasitas C₁ dibentuk oleh silinder lapisan dalam. Batang konduktif setara dengan satu pelat elektroda, dan film tembaga dalam papan sirkuit fleksibel setara dengan pelat elektroda lainnya, dengan bahan isolasi sebagai dielektrik. Kapasitas C₂ dibentuk oleh silinder lapisan luar. Film tembaga dua sisi dari papan sirkuit fleksibel dua lapis setara dengan pelat elektroda, dan bahan dasar papan sirkuit fleksibel, seperti poliimid, berfungsi sebagai dielektrik. Penampang radialnya ditunjukkan pada Gambar 3. Kapasitansi ekuivalen C dapat dihitung dengan rumus.

Dalam rumus: r₁ adalah jari-jari dalam silinder; r₂ adalah jari-jari luar silinder; H adalah panjang papan sirkuit cetak fleksibel; ε_r adalah permissivitas relatif elektrolit; ε₀ adalah permissivitas vakum.

1.2 Prinsip Pengukuran Arus

Transformer elektronik menggunakan kumparan Rogowski untuk mengukur arus. Hubungan antara tegangan output sekunder dan arus input primer adalah sebagai berikut:

Dalam rumus, M adalah konstanta yang tidak tergantung pada posisi arus yang diukur. Tegangan output kumparan Rogowski sebanding dengan turunan dari arus yang diukur. Oleh karena itu, dengan menambahkan tautan integrasi setelah output kumparan Rogowski, arus yang diukur dapat dipulihkan.

Dalam proyek ini, kumparan Rogowski adalah kumparan Rogowski yang dibuat dari papan sirkuit cetak. Sensitivitas, akurasi pengukuran, stabilitas kinerja, ketergantian produk, dan efisiensi produksi semuanya lebih unggul dibandingkan dengan kumparan yang dipintal secara tradisional.

Untuk mengurangi gangguan medan magnet aksesori dan meningkatkan akurasi pengukuran, kumparan Rogowski yang dibuat dari papan sirkuit cetak biasanya menggunakan dua kumparan yang dihubungkan seri untuk membentuk input diferensial. Arah pemintalan kedua kumparan PCB ini berbeda. Satu dipintal menurut aturan tangan kanan, dan yang lainnya dipintal menurut aturan tangan kiri. Dengan cara ini, dua tegangan terinduksi dengan polaritas berlawanan dihasilkan, dan tegangan output dari hubungan seri adalah dua kali lipat dari kumparan Rogowski tunggal, seperti ditunjukkan pada Gambar 4.

1.2 Prinsip Pengukuran Arus (Lanjutan)

Karena koefisien ekspansi termal film tembaga dan substrat PCB berbeda, jumlah deformasi mereka berbeda ketika suhu berubah. Untuk mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh deformasi dan mencegah putusnya film tembaga, kumparan PCB yang diproduksi menjalani proses penuaan suhu. Proses ini, di satu sisi, melepaskan stres internal kumparan untuk meminimalkan kesalahan, dan di sisi lain, berfungsi untuk penyaringan kumparan.

Meskipun kumparan Rogowski dengan output diferensial memiliki kemampuan penekanan mode umum yang kuat, gangguan medan listrik 10 kV tetap signifikan. Oleh karena itu, perlu untuk membungkus kumparan Rogowski dengan foil tembaga dan mengground foil tembaga tersebut.

2 Prinsip Komposisi Transformer Elektronik Gabungan
2.1 Diagram Blok Komposisi Transformer Elektronik Gabungan

Diagram blok transformer elektronik gabungan ditunjukkan pada Gambar 5. Tegangan dan arus primer dikonversi menjadi sinyal sekunder oleh kapasitor dan kumparan Rogowski. Dengan mengintegrasikan dan menggeser fase sinyal sekunder, sinyal yang proporsional dengan sinyal primer dapat diperoleh. Untuk meningkatkan akurasi, integrasi dan kompensasi fase sinyal pengukuran dapat dicapai melalui metode pemrosesan sinyal digital. Namun, pemrosesan sinyal digital memiliki penundaan tertentu dan tidak dapat merefleksikan sinyal primer secara real-time. Oleh karena itu, metode pemrosesan ini tidak cocok untuk sinyal perlindungan. Karena sinyal perlindungan memiliki persyaratan akurasi pengukuran yang lebih rendah, sirkuit analog dapat digunakan secara langsung untuk amplifikasi, integrasi, dan pemrosesan kompensasi fase.

2.2 Struktur Kepala Sensor Transformer Elektronik Gabungan

Transformer elektronik gabungan mengemas unit pengukuran tegangan dan unit pengukuran arus ke dalam struktur yang ditunjukkan pada Gambar 6 menggunakan pencetakan vakum resin epoksi.

Kumparan Rogowski dicetak ke busbar penghantar arus. Setelah diperbesar, sinyal output kumparan dikirim ke terminal output melalui kabel sinyal. Karena amplifier membutuhkan pasokan daya ganda, 3 dari kabel sinyal multi-inti digunakan untuk transmisi daya.

Karena tidak ada arus yang mengalir melalui batang konduktif dari transformer tegangan, dan untuk meningkatkan jarak merayap, struktur di mana batang konduktif dan busbar penghantar arus saling tegak lurus digunakan.

Karena kepala sensor bersifat aktif, umur layanan komponen elektronik sangat membatasi umur layanan kepala sensor transformer elektronik. Oleh karena itu, semua komponen harus menjalani penyaringan penuaan sebelum digunakan.

Untuk meningkatkan rasio sinyal-ke-bising, sinyal arus dan tegangan diperbesar di dalam kepala sensor. Sirkuit perbesaran untuk sinyal arus ada di kumparan PCB, dan sirkuit perbesaran untuk sinyal tegangan ada di papan sirkuit fleksibel. Amplifier kinerja tinggi digunakan untuk amplifier.

3 Pengujian Transformer Elektronik Gabungan

Sesuai dengan prinsip dan struktur yang disebutkan di atas, serta standar IEC 60044-7 dan IEC 60044-8, prototipe transformer elektronik gabungan 10 kV/600 A telah dirancang. Untuk transformer tegangan, akurasi pengukuran adalah Kelas 0.5, dan tingkat perlindungan adalah 3P; untuk transformer arus, akurasi pengukuran adalah Kelas 0.2, dan akurasi perlindungan adalah 5P20.

Selama pengujian, arus yang berbeda dialirkan melalui transformer elektronik dan tegangan yang berbeda diterapkan padanya. Output sekunder dikeluarkan melalui port digital. Setelah ditampilkan oleh unit tampilan digital, hasilnya dibandingkan dengan transformer arus referensi dan transformer tegangan referensi. Akurasi pengukurannya memenuhi persyaratan desain.

Pada saat yang sama, uji tahanan tegangan frekuensi daya, pelepasan parsial, impuls petir, dan kompatibilitas elektromagnetik dilakukan pada prototipe. Lulusnya uji-uji ini menunjukkan kebenaran skema desain.

4 Kesimpulan

(1) Menggunakan kapasitor pembagi tegangan yang terdiri dari kapasitor ekuivalen dan kumparan Rogowski yang dibuat dengan papan sirkuit cetak sebagai sensor tegangan dan arus, memiliki struktur sederhana, ketergantian produk yang baik, dan akurasi pengukuran yang tinggi.

(2) Dengan menggunakan teknologi papan sirkuit cetak dan papan sirkuit cetak fleksibel, sirkuit perbesaran dapat dibangun di dalam kepala sensor, meningkatkan rasio sinyal-ke-bising sinyal pengukuran.

(3) Menggabungkan transformer tegangan elektronik dan transformer arus elektronik menjadi satu untuk membentuk transformer tegangan-arus gabungan tidak hanya dapat mengurangi biaya peralatan primer tetapi juga meningkatkan akurasi dan kapasitas sirkuit sekunder untuk tegangan garis tunggal. Ini memenuhi persyaratan baru untuk meteran sekunder dan perlindungan, serta sesuai dengan konsep kontrol sistem tenaga modern yang menggunakan interval switchgear sebagai unit.