Principio di Misura Composizione e Prova dei Trasformatori Elettronici Combinati
1 Principio di Misura dei Trasformatori Elettronici Combinati
1.1 Principio di Misura della Tensione
I trasformatori elettronici misurano la tensione utilizzando il metodo di divisione capacitiva. Poiché la tensione su un condensatore non può cambiare bruscamente, la tensione secondaria ottenuta direttamente attraverso la divisione capacitiva ha una risposta transitoria povera e bassa precisione di misura. Per migliorare la precisione di misura, viene collegato in parallelo un resistore di campionamento preciso al condensatore a bassa tensione. Il suo principio è mostrato nella Figura 1.
Nella Figura 1, sotto la condizione che
La tensione di uscita del condensatore divisore è proporzionale alla derivata temporale della tensione misurata. Aggiungendo un anello di integrazione, si può misurare la tensione primaria.
Nella Figura 1, poiché la maggior parte della caduta di tensione avviene sul C1, ci sono requisiti molto elevati per l'isolamento del condensatore C1. Nei trasformatori elettromagnetici di tensione, vengono generalmente utilizzati condensatori di potenza, mentre nei trasformatori elettronici di tensione, non si utilizzano condensatori di potenza, ma si adottano invece condensatori equivalenti.
La struttura del condensatore divisore è quella di un cilindro realizzato con materiale isolante infilato su un barra conduttrice. Quindi, una scheda flessibile a doppio strato viene applicata all'esterno del cilindro. Il resistore preciso è un resistore a chip attaccato allo strato esterno della scheda flessibile. Lo schema strutturale del divisore di tensione a condensatore è mostrato nella Figura 2.
La capacità di C1 è formata dal cilindro interno. La barra conduttrice è equivalente a una lamina elettroda, e il film di rame interno della scheda flessibile è equivalente all'altra lamina elettroda, con il materiale isolante come dielettrico. La capacità di C2 è formata dal cilindro esterno. I film di rame a doppio strato della scheda flessibile a doppio strato sono equivalenti alle lamine elettrode, e il materiale base della scheda flessibile, come il poliimide, serve da dielettrico. La sua vista sezione radiale è mostrata nella Figura 3. La capacità equivalente C può essere calcolata dalla formula.
Nella formula: r1 è il raggio interno del cilindro; r2 è il raggio esterno del cilindro; H è la lunghezza della scheda flessibile stampata; εr è la permittività relativa dell'elettrolita; ε0 è la permittività del vuoto.
1.2 Principio di Misura della Corrente
I trasformatori elettronici utilizzano bobine Rogowski per misurare la corrente. La relazione tra la tensione di uscita secondaria e la corrente di ingresso primaria è la seguente:
Nella formula, M è una costante indipendente dalla posizione della corrente misurata. La tensione di uscita della bobina Rogowski è proporzionale alla derivata della corrente misurata. Pertanto, aggiungendo un anello di integrazione dopo l'uscita della bobina Rogowski, la corrente misurata può essere ripristinata.
In questo progetto, la bobina Rogowski è una bobina Rogowski realizzata con una scheda stampata. La sua sensibilità, precisione di misura, stabilità delle prestazioni, interscambiabilità del prodotto ed efficienza di produzione sono tutte superiori a quelle delle bobine tradizionalmente avvolte.
Per ridurre l'interferenza del campo magnetico accessorio e migliorare la precisione di misura, la bobina Rogowski realizzata con una scheda stampata utilizza generalmente due bobine connesse in serie per formare un ingresso differenziale. Le direzioni di avvolgimento di queste due bobine PCB sono diverse. Una è avvolta secondo la regola della mano destra e l'altra secondo la regola della mano sinistra. In questo modo, vengono generate due tensioni indotte con polarità opposte, e la tensione di uscita della connessione in serie è il doppio di quella di una singola bobina Rogowski, come mostrato nella Figura 4.
1.2 Principio di Misura della Corrente (Continuazione)
A causa dei diversi coefficienti di espansione termica del film di rame e del substrato PCB, le loro quantità di deformazione sono diverse quando la temperatura cambia. Per ridurre gli errori causati dalla deformazione e prevenire la rottura del film di rame, le bobine PCB prodotte subiscono un processo di invecchiamento termico. Questo processo, da un lato, libera lo stress interno delle bobine per minimizzare gli errori e, dall'altro, serve per selezionare le bobine.
Anche se le bobine Rogowski con uscita differenziale hanno una forte capacità di soppressione del modo comune, l'interferenza del campo elettrico a 10 kV rimane significativa. Pertanto, è necessario avvolgere le bobine Rogowski con fogli di rame e collegare a terra il foglio di rame.
2 Principio di Composizione dei Trasformatori Elettronici Combinati
2.1 Diagramma a Blocchi di Composizione dei Trasformatori Elettronici Combinati
Il diagramma a blocchi del trasformatore elettronico combinato è mostrato nella Figura 5. La tensione e la corrente primarie vengono convertite in segnali secondari tramite il condensatore e la bobina Rogowski. Integrando e spostando la fase dei segnali secondari, si possono ottenere segnali proporzionali ai segnali primari. Per migliorare la precisione, l'integrazione e la compensazione di fase dei segnali di misura possono essere ottenute attraverso metodi di elaborazione dei segnali digitali. Tuttavia, l'elaborazione dei segnali digitali ha un certo ritardo e non può riflettere i segnali primari in tempo reale. Pertanto, questo metodo di elaborazione non è adatto per i segnali di protezione. Poiché i segnali di protezione hanno requisiti inferiori per la precisione di misura, i circuiti analogici possono essere utilizzati direttamente per l'amplificazione, l'integrazione e la compensazione di fase.
2.2 Struttura della Testa Sensibile del Trasformatore Elettronico Combinato
Il trasformatore elettronico combinato incapsula l'unità di misura della tensione e l'unità di misura della corrente nella struttura mostrata nella Figura 6 utilizzando la colata a vuoto di resina epoxidica.
La bobina Rogowski viene colata sulla barra portatrice di corrente. Dopo l'amplificazione, il segnale di uscita della bobina viene inviato al terminale di uscita tramite un cavo di segnale. Poiché l'amplificatore richiede una doppia alimentazione, 3 dei cavi multifili vengono utilizzati per la trasmissione di energia.
Poiché non c'è corrente che scorre sulla barra conduttrice del trasformatore di tensione, e per aumentare la distanza di strisciamento, viene adottata una struttura in cui la barra conduttrice e la barra portatrice di corrente sono perpendicolari l'una all'altra.
Poiché la testa sensibile è di tipo attivo, la durata di vita dei componenti elettronici limita severamente la durata di vita della testa sensibile del trasformatore elettronico. Pertanto, tutti i componenti devono sottoporsi a un processo di selezione mediante invecchiamento prima dell'uso.
Per migliorare il rapporto segnale-rumore, i segnali di corrente e tensione vengono amplificati all'interno della testa sensibile. Il circuito di amplificazione per il segnale di corrente è sulla bobina PCB, e il circuito di amplificazione per il segnale di tensione è sulla scheda flessibile. Vengono utilizzati amplificatori strumentali ad alte prestazioni per gli amplificatori.
3 Prova del Trasformatore Elettronico Combinato
In conformità ai principi e alla struttura menzionati sopra, nonché agli standard IEC 60044-7 e IEC 60044-8, è stato progettato un prototipo di trasformatore elettronico integrato di tensione/corrente da 10 kV/600 A. Per il trasformatore di tensione, la precisione di misura è Classe 0,5, e il livello di protezione è 3P; per il trasformatore di corrente, la precisione di misura è Classe 0,2, e la precisione di protezione è 5P20.
Durante la prova, vengono fatti passare correnti diverse attraverso il trasformatore elettronico e vengono applicate diverse tensioni. L'uscita secondaria viene emessa attraverso una porta digitale. Dopo essere stata visualizzata dall'unità di visualizzazione digitale, viene confrontata con il trasformatore di corrente di riferimento e il trasformatore di tensione di riferimento. La sua precisione di misura soddisfa i requisiti di progettazione.
Allo stesso tempo, vengono eseguite prove di resistenza a tensione di frequenza di rete, scariche parziali, impulso di fulmine e compatibilità elettromagnetica sul prototipo. Il superamento di queste prove indica la correttezza dello schema di progettazione.
4 Conclusioni
(1) Utilizzando un condensatore divisore composto da condensatori equivalenti e una bobina Rogowski realizzata con una scheda stampata come sensori di tensione e corrente, ha una struttura semplice, buona interscambiabilità del prodotto e alta precisione di misura.
(2) Adottando tecnologie di schede stampate e schede flessibili stampate, il circuito di amplificazione può essere costruito all'interno della testa sensibile, migliorando il rapporto segnale-rumore del segnale di misura.
(3) Combinando il trasformatore elettronico di tensione e il trasformatore elettronico di corrente in uno per formare un trasformatore combinato di tensione-corrente, non solo si può ridurre il costo dell'equipaggiamento primario, ma anche migliorare la precisione e la capacità del circuito secondario per la tensione di una singola linea. Soddisfa i nuovi requisiti per la misurazione e la protezione secondaria e si conforma anche al concetto di controllo dei sistemi di potenza moderni che prende gli intervalli di apparecchiature di commutazione come unità.
