Meetingsprincipe samenstelling en testen van gecombineerde elektronische transformatoren
1 Meetprincipe van gecombineerde elektronische transformatoren
1.1 Meetprincipe voor spanning
Elektronische transformatoren meten spanning met behulp van de capacitive spanningverdelingsmethode. Aangezien de spanning over een condensator niet plotseling kan veranderen, heeft de secundaire spanning die rechtstreeks wordt verkregen door middel van capacitive spanningverdeling een slechte tijdelijke respons en een lage meetnauwkeurigheid. Om de meetnauwkeurigheid te verbeteren, wordt een precisie-afnemweerstand parallel aan de laagspanningscondensator aangesloten. Het principe hiervan is weergegeven in figuur 1.
In figuur 1, onder de voorwaarde dat
De uitgangsspanning van de spanning-verdelende condensator is evenredig met de tijdsafgeleide van de gemeten spanning. Door een integratiekoppeling toe te voegen, kan de primaire spanning worden gemeten.
In figuur 1, aangezien het grootste deel van de spanningdaling optreedt over C1, zijn er zeer hoge eisen aan de isolatie van condensator C1. In elektromagnetische spanningstransformatoren worden doorgaans vermogenscondensatoren gebruikt, terwijl in elektronische spanningstransformatoren geen vermogenscondensatoren worden gebruikt, maar equivalentieve condensatoren worden toegepast.
De structuur van de spanning-verdelende condensator is dat een cilinder van isolerend materiaal om een geleidende staaf is geplaatst. Daarna wordt een dubbelzijdige flexibele printplaat aan de buitenkant van de cilinder bevestigd. De precisie-weerstand is een chipweerstand die aan de buitenlaag van de flexibele printplaat is bevestigd. Het structuurschema van de condensatorspanningsverdeler is weergegeven in figuur 2.
De capaciteit van C1 wordt gevormd door de binnenlaag cilinder. De geleidende staaf is gelijkwaardig aan één elektrodeplaat, en de binnenkoperfilm van de flexibele printplaat is gelijkwaardig aan de andere elektrodeplaat, met het isolatiemateriaal als dielektricum. De capaciteit van C2 wordt gevormd door de buitenlaag cilinder. De dubbelezijdige koperfilms van de dubbelzijdige flexibele printplaat zijn gelijkwaardig aan de elektrodeplaten, en het basismateriaal van de flexibele printplaat, zoals polyimide, dient als dielektricum. Zijn radiale doorsnede is weergegeven in figuur 3. De equivalente capaciteit C kan worden berekend met behulp van een formule.
In de formule: r1 is de binnenzijde straal van de cilinder; r2 is de buitenzijde straal van de cilinder; H is de lengte van de flexibele gedrukte circuitplaat; εr is de relatieve permittiviteit van het elektrolyt; ε0 is de permissiviteit van vacuüm.
1.2 Meetprincipe voor stroom
Elektronische transformatoren gebruiken Rogowski spoelen om stroom te meten. Het verband tussen de secundaire uitgangsspanning en de primaire ingangsstroom is als volgt:
In de formule is M een constante onafhankelijk van de positie van de gemeten stroom. De uitgangsspanning van de Rogowski-spoel is evenredig met de afgeleide van de gemeten stroom. Daarom kan de gemeten stroom worden hersteld door een integratiekoppeling toe te voegen na de uitgang van de Rogowski-spoel.
In dit project is de Rogowski-spoel een Rogowski-spoel gemaakt van een gedrukte circuitplaat. De gevoeligheid, meetnauwkeurigheid, prestatie stabiliteit, productinterchangeabiliteit en productie-efficiëntie zijn allemaal superieur aan die van traditioneel gewikkelde spoelen.
Om de interferentie van de bijbehorende magnetische veld te verminderen en de meetnauwkeurigheid te verbeteren, gebruikt de Rogowski-spoel gemaakt van een gedrukte circuitplaat meestal twee spoelen die in serie zijn verbonden om een differentiële invoer te vormen. De wikkelrichtingen van deze twee PCB-spoelen zijn verschillend. Eén is gewikkeld volgens de rechterhandregel, en de ander volgens de linkerhandregel. Op deze manier worden twee geïnduceerde spanningen met tegengestelde polariteiten gegenereerd, en de uitgangsspanning van de serieverbinding is twee keer die van een enkele Rogowski-spoel, zoals getoond in figuur 4.
1.2 Meetprincipe voor stroom (vervolg)
Vanwege de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van de koperfilm en de PCB-substraat, verschillen hun vervormingshoeveelheden wanneer de temperatuur verandert. Om fouten veroorzaakt door vervorming te verminderen en koperfilmbreuk te voorkomen, ondergaan de vervaardigde PCB-spoelen een temperatuurouderingsproces. Dit proces laat enerzijds de interne spanning van de spoelen los om fouten te minimaliseren, en anderzijds dient het om de spoelen te selecteren.
Ondanks dat Rogowski-spoelen met differentiële uitgang een sterke gemeenschappelijke modusonderdrukking hebben, blijft de interferentie van het 10 kV-elektrisch veld significant. Daarom is het nodig om de Rogowski-spoelen in koperfolie te wikkelen en de koperfolie te gronden.
2 Samenstellingsprincipe van gecombineerde elektronische transformatoren
2.1 Samenstellingsblokschema van gecombineerde elektronische transformatoren
Het blokschema van de gecombineerde elektronische transformatoren is weergegeven in figuur 5. De primaire spanning en stroom worden omgezet in secundaire signalen door de condensator en de Rogowski-spoel. Door de secundaire signalen te integreren en de fase te verschuiven, kunnen signalen worden verkregen die evenredig zijn met de primaire signalen. Om de nauwkeurigheid te verbeteren, kan de integratie en fasecompensatie van meetsignalen worden bereikt door middel van digitale signaalverwerkingsmethoden. Echter, digitale signaalverwerking heeft een zekere vertraging en kan de primaire signalen niet in real-time weergeven. Dus deze verwerkingsmethode is niet geschikt voor beschermingsignalen. Aangezien beschermingsignalen lagere eisen stellen aan meetnauwkeurigheid, kunnen analoge schakelingen direct worden gebruikt voor versterking, integratie en fasecompensatie.
2.2 Structuur van de sensorkop van de gecombineerde elektronische transformatoren
De gecombineerde elektronische transformatoren encapsuleren de spanningmeetunit en de stroommeetunit in de structuur zoals weergegeven in figuur 6 met behulp van epoxyhars vacuümgieten.
De Rogowski-spoel wordt gegoten op de stroomdragende busbar. Na versterking wordt het spoelsignaal naar de uitgang via een signaalkabel verzonden. Omdat de versterker een dubbele voeding vereist, worden 3 van de meerkernsignaalkabels gebruikt voor energieoverdracht.
Aangezien er geen stroom door de geleidende staaf van de spanningstransformator loopt, en om de sloopweg te vergroten, wordt een structuur gebruikt waarbij de geleidende staaf en de stroomdragende busbar loodrecht op elkaar staan.
Omdat de sensorkop actief is, beperkt de levensduur van elektronische componenten ernstig de levensduur van de elektronische transformatorenensorkop. Daarom moeten alle componenten voor gebruik ondergaan aan ouderingsscreening.
Om het signaal-ruisverhouding te verbeteren, worden stroom- en spanningssignalen binnen de sensorkop versterkt. De versterkingschakeling voor het stroomsignaal bevindt zich op de PCB-spoel, en de versterkingschakeling voor het spanningssignaal bevindt zich op de flexibele printplaat. Voor de versterkers worden high-performance instrumentatieversterkers gebruikt.
3 Testen van de gecombineerde elektronische transformatoren
Overeenkomstig de hierboven genoemde principes en structuur, evenals de IEC 60044-7 en IEC 60044-8 normen, is een 10 kV/600 A geïntegreerde spanning/stroom elektronische transformatorenprototype ontworpen. Voor de spanningstransformator is de meetnauwkeurigheid klasse 0,5, en het beschermingsniveau 3P; voor de stroomtransformator is de meetnauwkeurigheid klasse 0,2, en de beschermingsnauwkeurigheid 5P20.
Tijdens de test worden verschillende stromen door de elektronische transformatoren geleid en worden er verschillende spanningen op aangebracht. De secundaire uitgang wordt uitgevoerd via een digitale poort. Na weergave door de digitale weergave-eenheid wordt het vergeleken met de referentiestroomtransformator en de referentiespanningstransformator. De meetnauwkeurigheid voldoet aan de ontwerpvereisten.
Tegelijkertijd worden netspanningstests, partiële ontlading, blikseminslag en elektromagnetische compatibiliteitstests uitgevoerd op het prototype. Het slagen van deze tests geeft aan dat het ontwerpschema correct is.
4 Conclusies
(1) Met behulp van een spanning-verdelende condensator bestaande uit equivalente condensatoren en een Rogowski-spoel gemaakt met een gedrukte circuitplaat als spannings- en stroomsensoren, heeft het een eenvoudige structuur, goede productinterchangeabiliteit en hoge meetnauwkeurigheid.
(2) Door gebruik te maken van gedrukte circuitplaat- en flexibele gedrukte circuitplaattechnologieën, kan de versterkingschakeling binnen de sensorkop worden gebouwd, waardoor het signaal-ruisverhouding van het meetsignaal wordt verbeterd.
(3) Door de elektronische spannings- en stroomtransformator te combineren tot één gecombineerde spannings-stroomtransformator, kan niet alleen de kosten van de primaire apparatuur worden verlaagd, maar ook de nauwkeurigheid en capaciteit van de secundaire schakeling voor de spanning van een enkele lijn worden verbeterd. Het voldoet aan de nieuwe eisen voor secundaire metering en bescherming en komt ook overeen met het controleconcept van moderne elektriciteitsnetwerken dat schakelinstallatie-intervallen als eenheden gebruikt.
