복합 전자 변압기의 측정 원리 구성 및 테스트
1 복합 전자 변압기의 측정 원리
1.1 전압 측정 원리
전자 변압기는 커패시터 분압 방법을 사용하여 전압을 측정합니다. 커패시터의 양쪽 끝에서 전압이 갑자기 변하지 않기 때문에, 커패시터 분압을 통해 직접 얻은 2차 전압은 일시적인 응답이 좋지 않고 측정 정확도가 낮습니다. 측정 정확도를 향상시키기 위해, 저전압 커패시터에 정밀 샘플링 저항을 병렬로 연결합니다. 그 원리는 도표 1에 나타나 있습니다.
도표 1에서,
분압 커패시터의 출력 전압은 측정된 전압의 시간 미분과 비례합니다. 적분 링크를 추가하면 1차 전압을 측정할 수 있습니다.
도표 1에서 대부분의 전압 강하가 C1에서 발생하기 때문에, 커패시터 C1의 절연에는 매우 높은 요구 사항이 있습니다. 전자기적 전압 변압기에서는 일반적으로 전력용 커패시터가 사용되지만, 전자식 전압 변압기에서는 전력용 커패시터 대신 동등한 커패시터가 채택됩니다.
분압 커패시터의 구조는 절연 재료로 만든 실린더가 도전봉에 씌워진 후, 이 실린더 외부에 양면 유연 회로 기판이 부착되는 것입니다. 정밀 저항은 유연 회로 기판의 외부층에 부착된 칩 저항입니다. 커패시터 분압기의 구조 도식은 도표 2에 표시되어 있습니다.
C1의 용량은 내부 실린더에 의해 형성됩니다. 도전봉은 하나의 전극판으로, 유연 회로 기판의 내부 구리 필름은 다른 전극판으로, 절연 재료는 유전체 역할을 합니다. C2의 용량은 외부 실린더에 의해 형성됩니다. 양면 구리 필름의 양면 유연 회로 기판은 전극판 역할을 하며, 유연 회로 기판의 기재인 폴리이미드와 같은 재료는 유전체 역할을 합니다. 그 방사형 단면도는 도표 3에 표시되어 있습니다. 등가 용량 C는 공식을 통해 계산할 수 있습니다.
공식에서: r1는 실린더의 내부 반경, r2는 실린더의 외부 반경, H는 유연 인쇄 회로 기판의 길이, εr은 전해질의 상대 유전율, ε0은 진공 유전율입니다.
1.2 전류 측정 원리
전자 변압기는 로고스키 코일을 사용하여 전류를 측정합니다. 2차 출력 전압과 1차 입력 전류 사이의 관계는 다음과 같습니다:
공식에서 M은 측정된 전류의 위치와 무관한 상수입니다. 로고스키 코일의 출력 전압은 측정된 전류의 미분과 비례합니다. 따라서, 로고스키 코일의 출력 후 적분 링크를 추가하면 측정된 전류를 복원할 수 있습니다.
이 프로젝트에서는 로고스키 코일은 인쇄 회로 기판으로 제작된 로고스키 코일입니다. 그 감도, 측정 정확도, 성능 안정성, 제품 교환 가능성, 생산 효율성이 모두 전통적으로 감은 코일보다 우수합니다.
부속 자석장의 간섭을 줄이고 측정 정확도를 향상시키기 위해, 인쇄 회로 기판으로 제작된 로고스키 코일은 일반적으로 두 개의 코일을 직렬로 연결하여 차동 입력을 형성합니다. 이 두 PCB 코일의 감는 방향은 다릅니다. 하나는 오른손 법칙에 따라 감아지고, 다른 하나는 왼손 법칙에 따라 감아집니다. 이렇게 하면 서로 반대되는 극성을 가진 두 개의 유도 전압이 생성되고, 직렬 연결의 출력 전압은 단일 로고스키 코일의 두 배가 됩니다. 도표 4에 표시되어 있습니다.
1.2 전류 측정 원리 (계속)
구리 필름과 PCB 기판의 열팽창 계수가 다르기 때문에, 온도 변화 시 변형량이 다릅니다. 변형으로 인한 오류를 줄이고 구리 필름의 파손을 방지하기 위해 제조된 PCB 코일은 온도 노화 과정을 거칩니다. 이 과정은 한편으로 코일의 내부 스트레스를 해소하여 오류를 최소화하고, 다른 한편으로 코일을 선별하는 역할을 합니다.
차동 출력을 갖는 로고스키 코일은 강한 공통 모드 억제 능력을 가지고 있지만, 10 kV 전기장 간섭은 여전히 중요합니다. 따라서, 로고스키 코일을 구리 호일로 싸서 구리 호일을 접지해야 합니다.
2 복합 전자 변압기의 구성 원리
2.1 복합 전자 변압기의 구성 블록 다이어그램
복합 전자 변압기의 블록 다이어그램은 도표 5에 표시되어 있습니다. 1차 전압과 전류는 커패시터와 로고스키 코일을 통해 2차 신호로 변환됩니다. 2차 신호를 적분하고 위상을 이동하면 1차 신호와 비례하는 신호를 얻을 수 있습니다. 정확도를 향상시키기 위해, 측정 신호의 적분과 위상 보상은 디지털 신호 처리 방법을 통해 이루어질 수 있습니다. 그러나 디지털 신호 처리는 일정한 지연이 있어 1차 신호를 실시간으로 반영할 수 없습니다. 따라서, 이러한 처리 방법은 보호 신호에 적합하지 않습니다. 보호 신호는 측정 정확도에 대한 요구 사항이 낮기 때문에, 아날로그 회로를 직접 사용하여 증폭, 적분, 위상 보상 처리를 할 수 있습니다.
2.2 복합 전자 변압기의 센싱 헤드 구조
복합 전자 변압기는 에폭시 수지 진공 주조를 사용하여 전압 측정 유닛과 전류 측정 유닛을 도표 6에 표시된 구조로 포장합니다.
로고스키 코일은 전류를 운반하는 버스바에 주조됩니다. 증폭된 코일 출력 신호는 신호선을 통해 출력 단자로 보내집니다. 증폭기는 이중 전원 공급이 필요하므로, 다중 핵심 신호선 중 3개가 전원 전송에 사용됩니다.
전압 변압기의 도전봉에는 전류가 흐르지 않으며, 기복거리를 늘리기 위해 도전봉과 전류를 운반하는 버스바가 서로 수직인 구조를 채택합니다.
센싱 헤드는 활성형이므로, 전자 부품의 수명이 전자 변압기 센싱 헤드의 수명을 크게 제한합니다. 따라서 모든 부품은 사용 전에 노화 선별을 거쳐야 합니다.
신호 대 잡음비를 향상시키기 위해, 전류 및 전압 신호는 센싱 헤드 내부에서 증폭됩니다. 전류 신호의 증폭 회로는 PCB 코일에, 전압 신호의 증폭 회로는 유연 회로 기판에 있습니다. 증폭기에 고성능 계측 증폭기를 사용합니다.
3 복합 전자 변압기의 테스트
위에서 언급한 원리와 구조, 그리고 IEC 60044-7 및 IEC 60044-8 표준에 따라 10 kV/600 A 통합 전압/전류 전자 변압기 프로토타입이 설계되었습니다. 전압 변압기의 경우 측정 정확도는 0.5 클래스, 보호 수준은 3P이며, 전류 변압기의 경우 측정 정확도는 0.2 클래스, 보호 정확도는 5P20입니다.
테스트 중에는 전자 변압기에 다양한 전류를 통과시키고 다양한 전압을 적용합니다. 2차 출력은 디지털 포트를 통해 출력됩니다. 디지털 디스플레이 장치로 표시된 후, 참조 전류 변압기와 참조 전압 변압기와 비교됩니다. 그 측정 정확도는 설계 요구 사항을 충족합니다.
동시에, 프로토타입에 대해 전력 주파수 내전압, 부분 방전, 번개 충격, 그리고 전자기적 호환성 테스트가 수행됩니다. 이러한 테스트의 통과는 설계 방안의 정확성을 나타냅니다.
4 결론
(1) 동등한 커패시터로 구성된 분압 커패시터와 인쇄 회로 기판으로 제작된 로고스키 코일을 전압 및 전류 센서로 사용하면, 구조가 간단하고 제품 교환 가능성이 높으며 측정 정확도가 높습니다.
(2) 인쇄 회로 기판 및 유연 인쇄 회로 기판 기술을 채택하여 센싱 헤드 내부에 증폭 회로를 구축함으로써, 측정 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있습니다.
(3) 전자식 전압 변압기와 전자식 전류 변압기를 하나로 결합하여 복합 전압-전류 변압기를 형성하면, 1차 장비의 비용을 줄이는 동시에 단일 라인의 전압에 대한 2차 회로의 정확도와 용량을 향상시킬 수 있습니다. 이는 새로운 2차 측정 및 보호 요구 사항을 충족하며, 현대 전력 시스템의 제어 개념인 스위치 기어 간격 단위에 부합합니다.
