Princip mjeriteljstva sastav i testiranje kombiniranih elektroničkih transformatora
1 Princip rada kombiniranih elektroničkih transformatora
1.1 Princip mjerenja napona
Elektronički transformatori mjeri napone pomoću metode kapacitivnog dijeljenja napona. Budući da se napon na kondenzatoru ne može naglo promijeniti, sekundarni napon direktno dobiven kapacitivnim dijeljenjem napona ima loš odgovor na prelazne pojave i nisku točnost mjerenja. Za poboljšanje točnosti mjerenja, precizni uzorak otpornika spojen je paralelno kroz niskonaponski kondenzator. Njegov princip prikazan je na slici 1.
Na slici 1, pod uvjetom da je
Izlazni napon kondenzatora za dijeljenje napona proporcionalan je vremenskom derivatu mjerene naponske veličine. Dodavanjem integracijskog stupnja, može se izmjeriti primarni napon.
Na slici 1, budući da se većina padova napona događa na C1, postoji vrlo visok zahtjev za izolacijom kondenzatora C1. U elektromagnetskim transformatorima napona obično se koriste snaga kondenzatori, dok u elektroničkim transformatorima napona ne koriste se snaga kondenzatori, već se umjesto njih koriste ekvivalentni kondenzatori.
Struktura kondenzatora za dijeljenje napona takva je da je cilindar od izolacijskog materijala nadjevan na provodni štap. Zatim se dvostruka fleksibilna platno pričvršćuje na vanjsku stranu cilindra. Precizni otpornik je čip otpornik pričvršćen na vanjski sloj fleksibilnog platna. Strukturni shematski prikaz kondenzatora za dijeljenje napona prikazan je na slici 2.
Kapacitet C1 stvoren je unutarnjim slojem cilindra. Provodni štap je ekvivalentan jednom elektrodskom ploči, a unutarnji bakreni film fleksibilnog platna je ekvivalentan drugoj elektrodskoj ploči, s izolacijskim materijalom kao dielektrikom. Kapacitet C2 stvoren je vanjskim slojem cilindra. Dvostrani bakreni filmovi dvostrukog fleksibilnog platna su ekvivalentni elektrodske ploče, a osnovni materijal fleksibilnog platna, poput poliimidnog materijala, služi kao dielektrik. Njegov presječni pogled u radijalnom smjeru prikazan je na slici 3. Ekvivalentni kapacitet C može se izračunati formulom.
U formuli: r1 je unutarnji polumjer cilindra; r2 je vanjski polumjer cilindra; H je duljina fleksibilne tiskačke ploče; εr je relativna permitivnost elektrolita; ε0 jeste permitivnost vakua.
1.2 Princip mjerenja struja
Elektronički transformatori koriste Rogowski-jeve bobine za mjerenje struja. Odnos izlaznog napona na sekundarnom izlazu i ulazne struje na primarnom ulazu sljedeći je:
U formuli, M je konstanta koja ne ovisi o položaju mjerene struje. Izlazni napon Rogowski-jeve bobine proporcionalan je derivatu mjerene struje. Stoga, dodavanjem integracijskog stupnja nakon izlaza Rogowski-jeve bobine, može se vratiti mjerena struja.
U ovom projektu, Rogowski-jeva bobina jest Rogowski-jeva bobina izrađena od tiskačke ploče. Njegova osjetljivost, točnost mjerenja, stabilnost performansi, zamjenjivost proizvoda i produktivnost proizvodnje su sve superiorni u odnosu na tradicionalno namotane bobine.
Da bi se smanjila interferencija prilagođenog magnetskog polja i poboljšala točnost mjerenja, Rogowski-jeva bobina izrađena od tiskačke ploče obično koristi dvije bobine spojene serijalno kako bi se formirao diferencijalni ulaz. Smjer namota ta dva PCB bobina različit je. Jedna se namata prema desnom pravilu, a druga prema lijevom pravilu. Na taj način generiraju se dva inducirana napona suprotne polariteta, a izlazni napon serijalne veze dvostruko je veći od izlaznog napona jedne Rogowski-jeve bobine, kako je prikazano na slici 4.
1.2 Princip mjerenja struja (Nastavak)
Zbog različitih koeficijenata termalne ekspanzije bakrenog filma i osnovnog materijala PCB, njihove deformacije se razlikuju kada se temperatura mijenja. Da bi se smanjile greške nastale deformacijama i sprečilo loma bakrenog filma, proizvedene PCB bobine podliježu procesu starenja pri temperature. Taj proces, s jedne strane, oslobađa interne stresove bobina kako bi se smanjile greške, a s druge strane, služi za selekciju bobina.
Iako Rogowski-jeve bobine s diferencijalnim izlazom imaju snažnu sposobnost potiskivanja zajedničkog modusa, interferencija električnog polja od 10 kV još uvijek je značajna. Stoga je nužno obaviti Rogowski-jeve bobine bakrenom folijom i zemljiti tu bakrenu foliju.
2 Princip sastavljanja kombiniranih elektroničkih transformatora
2.1 Shematski dijagram sastava kombiniranih elektroničkih transformatora
Shematski dijagram kombiniranog elektroničkog transformatora prikazan je na slici 5. Primarni napon i struja pretvoreni su u sekundarne signale pomoću kondenzatora i Rogowski-jeve bobine. Integracijom i pomakom faze sekundarnih signala, mogu se dobiti signali proporcionalni primarnim signalima. Za poboljšanje točnosti, integracija i kompenzacija faze mjerene veličine mogu se ostvariti putem metoda obrade digitalnih signala. Međutim, obrada digitalnih signala ima određenu kašnjenje i ne može u realnom vremenu odražavati primarne signale. Stoga, ova metoda obrade nije prikladna za signale zaštite. Budući da signali zaštite imaju niže zahtjeve za točnošću mjerenja, analogne sklopove može se direktno koristiti za pojačanje, integraciju i kompenzaciju faze.
2.2 Struktura senzora glave kombiniranog elektroničkog transformatora
Kombinirani elektronički transformator embalira jedinicu za mjerenje napona i jedinicu za mjerenje struje u strukturu prikazanu na slici 6 pomoću epoksne smole i vakuumskog lisovanja.
Rogowski-jeva bobina je lisana na nosač struje. Nakon pojačanja, izlazni signal bobine poslan je na izlazni terminal putem signala linije. Budući da pojačivač zahtijeva dvostrani napajanje, tri od višežica signala koriste se za prijenos struje.
Budući da kroz provodni štap transformatora napona ne teče struja, i kako bi se povećalo udaljenje između provodnika, usvojena je struktura gdje su provodni štap i nosač struje okomite jedan na drugi.
Budući da je senzorska glava aktivnog tipa, životni vijek elektroničkih komponenti ozbiljno ograničava životni vijek senzorske glave elektroničkog transformatora. Stoga, sve komponente moraju proći proces starenja i selekcije prije upotrebe.
Da bi se poboljšao omjer signala i šuma, strujni i naponski signali su pojačani unutar senzorske glave. Pojačavajući sklop za strujni signal nalazi se na PCB bobini, a pojačavajući sklop za naponski signal nalazi se na fleksibilnoj ploči. Kao pojačivači koriste se visokoperformantni instrumentacijski pojačivači.
3 Testiranje kombiniranog elektroničkog transformatora
U skladu s gore navedenim principima i strukturama, kao i standardima IEC 60044 - 7 i IEC 60044 - 8, dizajniran je prototip integriranog elektroničkog transformatora napona/struje od 10 kV/600 A. Za transformator napona, točnost mjerenja klase 0.5, a zaštita nivoa 3P; za transformator struje, točnost mjerenja klase 0.2, a točnost zaštite 5P20.
Tijekom testiranja, različite struje prođu kroz elektronički transformator, a različite napone primijenjeni su na njega. Sekundarni izlaz izlazi putem digitalnog porta. Nakon prikaza na digitalnom prikaznom uređaju, uspoređuje se s referentnim transformatorom struje i referentnim transformatorom napona. Njegova točnost mjerenja ispunjava zahtjeve dizajna.
U isto vrijeme, na prototipu provedeni su testovi održljivosti na strujni napon, djelomični ispit ispuštanja, ispit ispuštanja munje i ispit elektromagnetske kompatibilnosti. Provođenje ovih testova pokazuje ispravnost dizajnske sheme.
4 Zaključci
(1) Koristeći kondenzator za dijeljenje napona sastavljen od ekvivalentnih kondenzatora i Rogowski-jevu bobinu izrađenu od tiskačke ploče kao senzore napona i struje, ima jednostavnu strukturu, dobru zamjenjivost proizvoda i visoku točnost mjerenja.
(2) Usvojivši tehnologije tiskačkih ploča i fleksibilnih tiskačkih ploča, pojačavajući sklop može se izgraditi unutar senzorske glave, poboljšavajući omjer signala i šuma mjerene veličine.
(3) Kombiniranjem elektroničkog transformatora napona i elektroničkog transformatora struje u jedan, formirajući kombinirani transformator napona-struje, ne samo da se može smanjiti trošak primarnog opreme, nego se također može poboljšati točnost i kapacitet sekundarnog kruga za napone jedne linije. To ispunjava nove zahtjeve za sekundarno mjerenje i zaštitu, a također odgovara kontroldnom konceptu modernih električnih sustava koji uzima intervali prekidača kao jedinice.
