複合電子変圧器の測定原理構成と試験
1 組合電子トランスの測定原理
1.1 電圧測定原理
電子トランスは、容量分圧法を使用して電圧を測定します。コンデンサ間の電圧が急激に変化しないため、容量分圧によって直接得られる二次電圧は一時応答が悪く、測定精度も低いです。測定精度を向上させるために、低電圧コンデンサに並列に精密サンプリング抵抗を接続します。その原理は図1に示されています。
図1では、以下の条件のもとで
分圧コンデンサの出力電圧は、測定対象の電圧の一時微分に比例します。積分回路を追加することで、一次電圧を測定することができます。
図1では、大部分の電圧降下がC1で起こるため、コンデンサC1の絶縁性には非常に高い要求があります。電磁式電圧トランスでは一般的に電力コンデンサが使用されますが、電子式電圧トランスでは電力コンデンサは使用せず、代わりに等価コンデンサが採用されます。
分圧コンデンサの構造は、導電棒に絶縁材製の筒が被せられており、その外側に二重層フレキシブル基板が取り付けられています。精密抵抗は、フレキシブル基板の外層に取り付けられたチップ抵抗です。コンデンサ分圧器の構造図は図2に示されています。
C1の容量は内層の筒によって形成されます。導電棒は一方の電極板に相当し、フレキシブル基板の内部銅膜が他方の電極板に相当し、絶縁材が誘電体となります。C2の容量は外層の筒によって形成されます。二重層フレキシブル基板の両面銅膜が電極板に相当し、フレキシブル基板の基材（ポリイミドなど）が誘電体となります。その径方向断面図は図3に示されています。等価容量Cは以下の式で計算できます。
式中：r1は筒の内径；r2は筒の外径；Hはフレキシブル印刷回路板の長さ；εrは電解質の相対誘電率；ε0は真空誘電率。
1.2 電流測定原理
電子トランスはロゴフスキーコイルを使用して電流を測定します。二次出力電圧と一次入力電流の関係は以下の通りです：
式中、Mは測定対象の電流の位置に関係ない定数です。ロゴフスキーコイルの出力電圧は測定対象の電流の一時微分に比例します。したがって、ロゴフスキーコイルの出力後に積分回路を追加することで、測定対象の電流を復元することができます。
本プロジェクトでは、ロゴフスキーコイルは印刷回路板で作成されたものです。その感度、測定精度、性能安定性、製品の互換性、生産効率は従来の巻線コイルよりも優れています。
付属の磁場の干渉を減らし、測定精度を向上させるために、印刷回路板で作成されたロゴフスキーコイルは通常、2つのコイルを直列に接続して差動入力を形成します。これらの2つのPCBコイルの巻き方向は異なり、一方は右手の法則に従って巻かれ、もう一方は左手の法則に従って巻かれます。このようにして、相反する極性を持つ2つの誘導電圧が生成され、直列接続の出力電圧は単一のロゴフスキーコイルの出力電圧の2倍になります。これは図4に示されています。
1.2 電流測定原理 (続き)
銅箔とPCB基板の熱膨張係数が異なるため、温度変化により変形量が異なります。変形による誤差を減らし、銅箔の破損を防ぐために、製造されたPCBコイルは温度老化処理を受けます。この過程は、一方でコイルの内部ストレスを解放して誤差を最小限に抑え、他方でコイルの選別を行う役割を果たします。
差動出力を持つロゴフスキーコイルは共通モードノイズ抑制能力が強いですが、10 kVの電界干渉は依然として大きく影響します。そのため、ロゴフスキーコイルを銅箔で包み、銅箔を接地する必要があります。
2 組合電子トランスの構成原理
2.1 組合電子トランスの構成ブロック図
組合電子トランスのブロック図は図5に示されています。一次電圧と電流は、コンデンサとロゴフスキーコイルによって二次信号に変換されます。二次信号を積分し位相補償することで、一次信号に比例する信号を得ることができます。測定精度を向上させるために、測定信号の積分と位相補償はデジタル信号処理方法を通じて実現できます。しかし、デジタル信号処理には一定の遅延があり、一次信号をリアルタイムで反映できません。したがって、この処理方法は保護信号には適していません。保護信号は測定精度に対する要求が低いため、アナログ回路を直接使用して増幅、積分、位相補償処理を行うことができます。
2.2 組合電子トランスのセンシングヘッドの構造
組合電子トランスは、エポキシ樹脂の真空キャストを使用して、図6に示す構造で電圧測定ユニットと電流測定ユニットを封入しています。
ロゴフスキーコイルは電流バスバーにキャストされます。増幅されたコイル出力信号は信号線を介して出力端子に送られます。アンプは双電源を必要とするため、多芯信号線の3つが電源伝送に使用されます。
電圧トランスの導電棒には電流が流れず、クリープ距離を増やすために、導電棒と電流バスバーが直角になる構造が採用されています。
センシングヘッドはアクティブ型であるため、電子部品の寿命が電子トランスセンシングヘッドの寿命を制限します。したがって、すべての部品は使用前に老化スクリーニングを受ける必要があります。
信号対雑音比を改善するために、電流信号と電圧信号はセンシングヘッド内で増幅されます。電流信号の増幅回路はPCBコイル上に、電圧信号の増幅回路はフレキシブル基板上に配置されています。増幅器には高性能なインスツルメンテーションアンプが使用されています。
3 組合電子トランスのテスト
上記の原理と構造に基づいて、およびIEC 60044-7およびIEC 60044-8規格に従って、10 kV/600 A統合電圧/電流電子トランスのプロトタイプが設計されました。電圧トランスの測定精度はクラス0.5、保護レベルは3Pです。電流トランスの測定精度はクラス0.2、保護精度は5P20です。
テスト中、電子トランスに異なる電流を流し、異なる電圧を印加します。二次出力はデジタルポートを通じて出力されます。デジタル表示装置で表示された後、参照電流トランスと参照電圧トランスと比較されます。その測定精度は設計要件を満たしています。
同時に、プロトタイプに対して商用周波数耐電圧試験、部分放電試験、雷衝撃試験、および電磁適合性試験が行われます。これらの試験の合格は設計案の正確性を示しています。
4 結論
(1) 等価コンデンサで構成される分圧コンデンサと印刷回路板で作成されたロゴフスキーコイルを使用して電圧と電流センサーとしているため、構造が単純で、製品の互換性が高く、測定精度が高いです。
(2) 印刷回路板技術とフレキシブル印刷回路板技術を採用することで、センシングヘッド内に増幅回路を構築でき、測定信号の信号対雑音比を向上させることができます。
(3) 電子電圧トランスと電子電流トランスを一つに組み合わせて統合電圧-電流トランスを形成することで、一次設備のコストを削減するとともに、単一の配線の電圧に対する二次回路の精度と容量を向上させることができます。これにより、新しい二次計測と保護の要件を満たすだけでなく、現代的な電力システムの制御概念に従ってスイッチギア間隔を単位とした制御が可能になります。
