Principio de Medición Composición e Probas de Transformadores Electrónicos Combinados

1 Principio de Medición dos Transformadores Electrónicos Combinados
1.1 Principio de Medición de Tensión

Os transformadores electrónicos miden a tensión utilizando o método de división capacitiva da tensión. Como a tensión a través dun condensador non pode cambiar bruscamente, a tensión secundaria obtida directamente mediante a división capacitiva ten unha resposta transitória pobre e baixa precisión de medición. Para mellorar a precisión de medición, conectase en paralelo un resistor de muestreo de precisión a través do condensador de baixa tensión. O seu principio amóstrase na Figura 1.

Na Figura 1, baixo a condición de que

A tensión de saída do condensador divisor é proporcional á derivada temporal da tensión medida. Mediante a adición dunha ligazón de integración, pódese medir a tensión primaria.

Na Figura 1, xa que a maior parte da caída de tensión ocorre a través de C₁, hai requisitos moi altos para o aislamento do condensador C₁. Nos transformadores de tensión electromagnéticos, xeralmente úsanse condensadores de potencia, mentres que nos transformadores de tensión electrónicos, non se utilizan condensadores de potencia; en cambio, adoptanse condensadores equivalentes.

A estrutura do condensador divisor é que un cilindro feito de material aislante está encaixado nunha barra conductora. A continuación, un circuito flexible de dobre capa adhérase ao exterior do cilindro. O resistor de precisión é un resistor de chip adxunto á capa externa do circuito flexible. O diagrama esquemático da estrutura do divisor de tensión por condensador amóstrase na Figura 2.

A capacitancia de C₁ forma-se polo cilindro interno. A barra conductora é equivalente a unha placa de electrodo, e a película de cobre interna do circuito flexible é equivalente á outra placa de electrodo, co material aislante como dieléctrico. A capacitancia de C₂ forma-se polo cilindro externo. As películas de cobre de dobre cara do circuito flexible de dobre capa son equivalentes ás placas de electrodo, e o material base do circuito flexible, como o poliimide, serve como dieléctrico. A súa vista transversal radial amóstrase na Figura 3. A capacitancia equivalente C pódese calcular mediante a Fórmula.

Na fórmula: r₁ é o radio interno do cilindro; r₂ é o radio externo do cilindro; H é a lonxitude do circuito impreso flexible; ε_r é a permitividade relativa do electrolito; ε₀ é a permitividade do vacío.

1.2 Principio de Medición de Corrente

Os transformadores electrónicos utilizan bobinas de Rogowski para medir a corrente. A relación entre a tensión de saída secundaria e a corrente de entrada primaria é a seguinte:

Na fórmula, M é unha constante irrelevante para a posición da corrente medida. A tensión de saída da bobina de Rogowski é proporcional á derivada da corrente medida. Polo tanto, mediante a adición dunha ligazón de integración despois da saída da bobina de Rogowski, pódese restabelecer a corrente medida.

Neste proxecto, a bobina de Rogowski é unha bobina de Rogowski feita con un circuito impreso. A súa sensibilidade, precisión de medición, estabilidade de rendemento, intercambiabilidade do produto e eficiencia de produción son superiores ás das bobinas tradicionais enrolladas.

Para reducir a interferencia do campo magnético accesorio e mellorar a precisión de medición, a bobina de Rogowski feita con un circuito impreso xeralmente utiliza dúas bobinas conectadas en serie para formar unha entrada diferencial. As direccións de enrolamento destas dúas bobinas de PCB son diferentes. Unha está enrollada segundo a regra da man dereita, e a outra segundo a regra da man esquerda. De esta forma, xéranse dúas voltaxes inducidas con polaridades opostas, e a tensión de saída da conexión en serie é o dobre da dunha única bobina de Rogowski, como se amosa na Figura 4.

1.2 Principio de Medición de Corrente (Continuación)

Debido ás diferentes coeficientes de expansión térmica da película de cobre e do substrato de PCB, as cantidades de deformación difiren cando cambia a temperatura. Para reducir os erros causados pola deformación e evitar a rotura da película de cobre, as bobinas de PCB fabricadas sométese a un proceso de envellecemento térmico. Este proceso, por unha banda, libera a tensión interna das bobinas para minimizar os erros, e, por outra banda, sirve para seleccionar as bobinas.

Aínda que as bobinas de Rogowski con saída diferencial teñen unha forte capacidade de supresión de modo común, a interferencia do campo eléctrico de 10 kV permanece significativa. Polo tanto, é necesario envolver as bobinas de Rogowski con folhas de cobre e terra-las.

2 Principio de Composición dos Transformadores Electrónicos Combinados
2.1 Diagrama de Bloques de Composición dos Transformadores Electrónicos Combinados

O diagrama de bloques do transformador electrónico combinado amóstrase na Figura 5. A tensión e a corrente primarias convértense en sinais secundarios polo condensador e a bobina de Rogowski. Mediante a integración e a desprazamento de fase dos sinais secundarios, pódense obter sinais proporcionais aos sinais primarios. Para mellorar a precisión, a integración e a compensación de fase dos sinais de medición poden lograrse mediante métodos de procesamento de sinais dixitais. No entanto, o procesamento de sinais dixitais ten un certo retardo e non pode reflicir os sinais primarios en tempo real. Polo tanto, este método de procesamento non é axeitado para sinais de protección. Xa que os sinais de protección teñen menores requisitos de precisión de medición, poden usarse directamente circuitos analóxicos para amplificación, integración e procesamento de compensación de fase.

2.2 Estructura da Cabeza de Detección do Transformador Electrónico Combinado

O transformador electrónico combinado encapsula a unidade de medición de tensión e a unidade de medición de corrente na estrutura amosada na Figura 6 utilizando o vertido de resina epoxi ao vacío.

A bobina de Rogowski está fundida na barra de bus de corrente. Despois de amplificarse, o sinal de saída da bobina envíase ao terminal de saída a través dunha liña de sinal. Xa que o amplificador require unha alimentación dual, 3 das liñas de sinal multicore úsanse para a transmisión de enerxía.

Como non circula corrente polo eixe conductor do transformador de tensión, e para aumentar a distancia de arrastre, adoptouse unha estrutura onde o eixe conductor e a barra de bus de corrente están perpendiculares entre si.

Xa que a cabeza de detección é de tipo activo, a vida útil dos componentes electrónicos restrinxe seriamente a vida útil da cabeza de detección do transformador electrónico. Polo tanto, todos os compoñentes deben someterse a un proceso de selección por envellecemento antes de ser utilizados.

Para mellorar a relación sinal-ruído, os sinais de corrente e tensión amplifícanse dentro da cabeza de detección. O circuito de amplificación para o sinal de corrente está no circuito de bobina, e o circuito de amplificación para o sinal de tensión está no circuito flexible. Úsanse amplificadores de instrumentación de alto rendemento para os amplificadores.

3 Probas do Transformador Electrónico Combinado

De acordo cos mencionados principios e estruturas, así como coas normas IEC 60044-7 e IEC 60044-8, deseñouse un prototipo de transformador electrónico combinado de 10 kV/600 A. Para o transformador de tensión, a precisión de medición é de Clase 0.5, e o nivel de protección é 3P; para o transformador de corrente, a precisión de medición é de Clase 0.2, e a precisión de protección é 5P20.

Durante a proba, pasáronse diferentes correntes a través do transformador electrónico e aplicáronse diferentes tensiones a el. A saída secundaria emítese a través dun porto dixital. Despois de mostrarse pola unidade de visualización dixital, compárase co transformador de corrente de referencia e co transformador de tensión de referencia. A súa precisión de medición cumpre coas especificacións de deseño.

Ao mesmo tempo, realizáronse probas de resistencia a tensión de frecuencia de rede, descarga parcial, impulsos de raio e compatibilidade electromagnética no prototipo. A superación destas probas indica a corrección do esquema de deseño.

4 Conclusións

(1) Utilizando un condensador divisor composto por condensadores equivalentes e unha bobina de Rogowski feita con un circuito impreso como sensores de tensión e corrente, ten unha estrutura simple, boa intercambiabilidade do produto e alta precisión de medición.

(2) Ao adoptar tecnoloxías de circuito impreso e circuito impreso flexible, o circuito de amplificación pódese construír dentro da cabeza de detección, mellorando a relación sinal-ruído do sinal de medición.

(3) Combinando o transformador de tensión electrónico e o transformador de corrente electrónico nun só para formar un transformador combinado de tensión-corrente, non só se pode reducir o custo do equipo primario, senón tamén mellorar a precisión e a capacidade do circuito secundario para a tensión dunha soa liña. Cumpre cos novos requisitos de medición e protección secundarios e tamén concorda co concepto de control dos sistemas de enerxía modernos que toma intervalos de interruptores como unidades.