Principe de Mesure Composition et Essai des Transformateurs Électroniques Combinés
1 Principe de mesure des transformateurs électroniques combinés
1.1 Principe de mesure de la tension
Les transformateurs électroniques mesurent la tension en utilisant la méthode de division de tension capacitive. Comme la tension à travers un condensateur ne peut pas changer brusquement, la tension secondaire obtenue directement par division de tension capacitive a une réponse transitoire médiocre et une précision de mesure faible. Pour améliorer la précision de mesure, une résistance d'échantillonnage de précision est connectée en parallèle sur le condensateur basse tension. Son principe est montré dans la Figure 1.
Dans la Figure 1, sous la condition que
La tension de sortie du condensateur diviseur de tension est proportionnelle à la dérivée temporelle de la tension mesurée. En ajoutant un lien d'intégration, on peut mesurer la tension primaire.
Dans la Figure 1, comme la majorité de la chute de tension se produit sur C1, il y a des exigences très élevées pour l'isolation du condensateur C1. Dans les transformateurs de tension électromagnétiques, des condensateurs de puissance sont généralement utilisés, tandis que dans les transformateurs de tension électroniques, des condensateurs de puissance ne sont pas utilisés ; au lieu de cela, des condensateurs équivalents sont adoptés.
La structure du condensateur diviseur de tension est qu'un cylindre fabriqué en matériau isolant est enfilé sur une tige conductrice. Ensuite, une carte flexible double couche est fixée à l'extérieur du cylindre. La résistance de précision est une résistance chip fixée sur la couche extérieure de la carte flexible. Le schéma structurel du diviseur de tension à condensateur est montré dans la Figure 2.
La capacité de C1 est formée par le cylindre interne. La tige conductrice est équivalente à une plaque d'électrode, et le film de cuivre interne de la carte flexible est équivalent à l'autre plaque d'électrode, avec le matériau isolant comme diélectrique. La capacité de C2 est formée par le cylindre externe. Les films de cuivre doubles faces de la carte flexible double couche sont équivalents aux plaques d'électrodes, et le substrat de la carte flexible, tel que le polyimide, sert de diélectrique. Sa vue en coupe radiale est montrée dans la Figure 3. La capacité équivalente C peut être calculée par la formule.
Dans la formule : r1 est le rayon intérieur du cylindre; r2 est le rayon extérieur du cylindre; H est la longueur de la carte flexible imprimée ; εr est la permittivité relative de l'électrolyte ; ε0 est la permittivité du vide.
1.2 Principe de mesure du courant
Les transformateurs électroniques utilisent des bobines de Rogowski pour mesurer le courant. La relation entre la tension de sortie secondaire et le courant d'entrée primaire est la suivante :
Dans la formule, M est une constante indépendante de la position du courant mesuré. La tension de sortie de la bobine de Rogowski est proportionnelle à la dérivée du courant mesuré. Par conséquent, en ajoutant un lien d'intégration après la sortie de la bobine de Rogowski, le courant mesuré peut être restauré.
Dans ce projet, la bobine de Rogowski est une bobine de Rogowski fabriquée en circuit imprimé. Sa sensibilité, sa précision de mesure, sa stabilité de performance, son interchangeabilité et son efficacité de production sont toutes supérieures à celles des bobines traditionnellement enroulées.
Pour réduire l'interférence du champ magnétique accessoire et améliorer la précision de mesure, la bobine de Rogowski fabriquée en circuit imprimé utilise généralement deux bobines connectées en série pour former une entrée différentielle. Les directions d'enroulement de ces deux bobines de PCB sont différentes. L'une est enroulée selon la règle de la main droite, et l'autre selon la règle de la main gauche. De cette manière, deux tensions induites de polarités opposées sont générées, et la tension de sortie de la connexion en série est deux fois celle d'une seule bobine de Rogowski, comme montré dans la Figure 4.
1.2 Principe de mesure du courant (Suite)
En raison des différents coefficients de dilatation thermique du film de cuivre et du substrat de PCB, leurs déformations diffèrent lorsque la température change. Pour réduire les erreurs causées par la déformation et prévenir la rupture du film de cuivre, les bobines de PCB fabriquées subissent un processus de vieillissement thermique. Ce processus, d'une part, libère les contraintes internes des bobines pour minimiser les erreurs, et d'autre part, sert à trier les bobines.
Bien que les bobines de Rogowski avec sortie différentielle aient une forte capacité de suppression du mode commun, l'interférence du champ électrique de 10 kV reste significative. Il est donc nécessaire d'envelopper les bobines de Rogowski avec du cuivre et de mettre le cuivre à la terre.
2 Principe de composition des transformateurs électroniques combinés
2.1 Schéma de bloc de composition des transformateurs électroniques combinés
Le schéma de bloc du transformateur électronique combiné est montré dans la Figure 5. La tension et le courant primaires sont convertis en signaux secondaires par le condensateur et la bobine de Rogowski. En intégrant et en décalant la phase des signaux secondaires, des signaux proportionnels aux signaux primaires peuvent être obtenus. Pour améliorer la précision, l'intégration et la compensation de phase des signaux de mesure peuvent être réalisées par des méthodes de traitement de signal numérique. Cependant, le traitement de signal numérique a un certain retard et ne peut pas refléter en temps réel les signaux primaires. Ainsi, cette méthode de traitement n'est pas adaptée aux signaux de protection. Comme les signaux de protection ont des exigences moins strictes en termes de précision de mesure, des circuits analogiques peuvent être utilisés directement pour l'amplification, l'intégration et la compensation de phase.
2.2 Structure de la tête de capteur du transformateur électronique combiné
Le transformateur électronique combiné encapsule l'unité de mesure de tension et l'unité de mesure de courant dans la structure montrée dans la Figure 6 en utilisant le moulage sous vide de résine époxy.
La bobine de Rogowski est coulée sur la barre de bus porteuse de courant. Après amplification, le signal de sortie de la bobine est envoyé au terminal de sortie via un câble de signal. Comme l'amplificateur nécessite une alimentation bipolaire, 3 des câbles de signal multicœurs sont utilisés pour la transmission de l'alimentation.
Comme aucun courant ne circule à travers la tige conductrice du transformateur de tension, et pour augmenter la distance de rampe, une structure où la tige conductrice et la barre de bus porteuse de courant sont perpendiculaires l'une à l'autre est adoptée.
Comme la tête de capteur est de type actif, la durée de vie des composants électroniques limite sévèrement la durée de vie de la tête de capteur du transformateur électronique. Par conséquent, tous les composants doivent subir un tri par vieillissement avant utilisation.
Pour améliorer le rapport signal-bruit, les signaux de courant et de tension sont amplifiés à l'intérieur de la tête de capteur. Le circuit d'amplification pour le signal de courant est sur la bobine de PCB, et le circuit d'amplification pour le signal de tension est sur la carte flexible. Des amplificateurs de haute performance sont utilisés pour les amplificateurs.
3 Test du transformateur électronique combiné
Conformément aux principes et à la structure mentionnés ci-dessus, ainsi qu'aux normes IEC 60044-7 et IEC 60044-8, un prototype de transformateur électronique combiné de tension/courant de 10 kV/600 A a été conçu. Pour le transformateur de tension, la précision de mesure est de classe 0,5, et le niveau de protection est 3P ; pour le transformateur de courant, la précision de mesure est de classe 0,2, et la précision de protection est 5P20.
Lors des tests, différents courants sont passés à travers le transformateur électronique et différentes tensions lui sont appliquées. La sortie secondaire est sortie via un port numérique. Après affichage par l'unité d'affichage numérique, elle est comparée au transformateur de courant de référence et au transformateur de tension de référence. Sa précision de mesure répond aux exigences de conception.
En même temps, des tests de tenue à la tension alternative, de décharge partielle, d'impulsion de foudre et de compatibilité électromagnétique sont effectués sur le prototype. Le passage de ces tests indique la justesse du schéma de conception.
4 Conclusions
(1) L'utilisation d'un condensateur diviseur de tension composé de condensateurs équivalents et d'une bobine de Rogowski fabriquée en circuit imprimé comme capteurs de tension et de courant offre une structure simple, une bonne interchangeabilité des produits et une grande précision de mesure.
(2) En adoptant des technologies de circuit imprimé et de circuit imprimé flexible, le circuit d'amplification peut être construit à l'intérieur de la tête de capteur, améliorant le rapport signal-bruit du signal de mesure.
(3) La combinaison du transformateur de tension électronique et du transformateur de courant électronique en un seul transformateur de tension-courant combiné permet non seulement de réduire le coût de l'équipement primaire, mais aussi d'améliorer la précision et la capacité du circuit secondaire pour la tension d'une ligne unique. Elle répond aux nouvelles exigences de comptage et de protection secondaires et est également conforme au concept de contrôle des systèmes de puissance modernes qui prend les intervalles de commutation comme unités.
