Målingsprinsipp Sammensetning og testing av kombinerte elektroniske transformatorer

1 Målemetode for kombinerte elektroniske transformatorer
1.1 Spenningmålemetode

Elektroniske transformatorer måler spenning ved hjelp av metoden for kapasitiv spenningsoverføring. Siden spenningen over en kondensator ikke kan endre seg abrupt, har den sekundære spenningen som blir hentet direkte gjennom kapasitiv spenningsoverføring, dårlig overgangsrespons og lav målnøyaktighet. For å forbedre målnøyaktigheten kobles en nøyaktig prøvetakerresistør parallelt over den lavspenningskondensatoren. Dens prinsipp er vist i figur 1.

I figur 1, under betingelsen at

Er utgangsspenningen fra spenningsoverføringskondensatoren proporsjonal med tidsderiverte til den målte spenningen. Ved å legge til en integrasjonselement, kan primærespennen bli målt.

I figur 1, siden mesteparten av spenningsnedgangen forekommer over C₁, er det høye krav til isoleringen av kondensatoren C₁. I elektromagnetiske spenningstransformatorer brukes generelt strømkondensatorer, mens i elektroniske spenningstransformatorer brukes ikke strømkondensatorer, men derimot ekvivalente kondensatorer.

Strukturen til spenningsoverføringskondensatoren er at en sylinder laget av isolerende materiale er plassert på en ledende stav. Deretter festeres et dobbeltsidig fleksibelt kretskort utenfor sylinderen. Nøyaktighetsresistoren er en chipresistor festet på ytre laget av det fleksible kretskortet. Strukturell skisse av kondensatorspenningsoverføreren er vist i figur 2.

Kapasitansen til C₁ dannes av indre laget av sylinderen. Den ledende staven er ekvivalent med én elektrodplate, og det indre kobberfilmet av det fleksible kretskortet er ekvivalent med den andre elektrodplaten, med isolerende materiale som dielektrikum. Kapasitansen til C₂ dannes av det ytre laget av sylinderen. De dobbeltsidede kobberfilmene av det dobbeltsidige fleksible kretskortet er ekvivalente med elektrodplatene, og grunnstoffet av det fleksible kretskortet, som polyymer, fungerer som dielektrikum. Dens radielle tvær-snitt vises i figur 3. Den ekvivalente kapasitansen C kan beregnes ved hjelp av formel.

I formelen: r₁ er den indre radiusen av sylinderen; r₂ er den ytre radiusen av sylinderen; H er lengden av det fleksible trykkrets-kortet; ε_r er det relative permittiviteten av elektrolyt; ε₀ er vakuumpermittiviteten.

1.2 Strømmålemetode

Elektroniske transformatorer bruker Rogowski-spiraler til å måle strøm. Forholdet mellom sekundær utgangsspenning og primær innstrøm er som følger:

I formelen er M en konstant uavhengig av posisjonen til den målte strømmen. Utgangsspenningen fra Rogowski-spiralen er proporsjonal med deriverte av den målte strømmen. Derfor, ved å legge til en integrasjonselement etter utgangen av Rogowski-spiralen, kan den målte strømmen gjenopprettes.

I dette prosjektet er Rogowski-spiralen en Rogowski-spiral laget av et trykkrets-kort. Dens sensitivitet, målnøyaktighet, ytelsesstabilitet, produktinteroperabilitet og produksjons-effektivitet er alle bedre enn tradisjonelt vindede spiraler.

For å redusere støy fra tilbehørsfelt og forbedre målnøyaktigheten, bruker Rogowski-spiralen laget av et trykkrets-kort generelt to spiraler koblet i serie for å danne en differensial inngang. Vindingretningen av disse to PCB-spiralene er forskjellig. En er vunnet ifølge høyrehåndsregelen, og den andre er vunnet ifølge venstrehåndsregelen. På denne måten genereres to induerte spenninger med motsatt polaritet, og utgangsspenningen fra seriekoblingen er dobbelt så stor som den fra en enkelt Rogowski-spiral, som vist i figur 4.

1.2 Strømmålemetode (fortsettelse)

På grunn av ulike termiske utvidelseskoeffisienter for kobberfilmet og PCB-grunnstoffet, varierer deres deformasjonsmengder når temperaturen endres. For å redusere feil oppstått av deformasjon og unngå knuskning av kobberfilmet, undergår de produserte PCB-spiralene en temperatur-aldring-prosess. Denne prosessen slipper av spiralenes interne spenning for å minimere feil, og samtidig fungerer den som en screening av spiralene.

Selv om Rogowski-spiraler med differensial utgang har sterke evner til å undertrykke fellesmodus-støy, er 10 kV feltstøy fortsatt betydelig. Derfor er det nødvendig å omgripe Rogowski-spiraler med kobberfolie og jorde kobberfolien.

2 Samsvaringsprinsipp for kombinerte elektroniske transformatorer
2.1 Blokkdiagram for kombinerte elektroniske transformatorer

Blokkdiagrammet for den kombinerte elektroniske transformatoren er vist i figur 5. Primærespenning og -strøm konverteres til sekundære signaler ved hjelp av kondensatoren og Rogowski-spiralen. Ved å integrere og justere fasen på sekundære signaler, kan signaler proporsjonale med primære signaler fås. For å forbedre nøyaktigheten, kan integrasjon og fasekompensasjon av målesignalene oppnås gjennom digitale signalbehandlingsmetoder. Imidlertid har digital signalbehandling en viss forsinkelse og kan ikke reflektere primære signaler i sanntid. Derfor er denne behandlingsmetoden ikke egnet for beskyttelsessignaler. Siden beskyttelsessignaler har lavere krav til målnøyaktighet, kan analoge kretser direkte brukes for forsterkning, integrasjon og fasekompensasjon.

2.2 Struktur av sensorhodet for kombinert elektronisk transformator

Den kombinerte elektroniske transformator pakker spenningmåleenheten og strømmåleenheten inn i strukturen vist i figur 6 ved hjelp av epoksyhars vakuumgjøting.

Rogowski-spiralen er gjødet på strømbaren. Etter forsterkning sendes spiralets utgangssignal til utgangsstroppen via et signalline. Siden forsterkeren krever en dobbelt strømforsyning, brukes 3 av de flerkernede signallinene til strømforsyning.

Ettersom det ikke er noen strøm som flyter gjennom den ledende staven av spenningstransformator, og for å øke krypavstanden, er det valgt en struktur hvor den ledende staven og strømbaren står vinkelrett på hverandre.

Fordi sensorhodet er aktivt, begrenser levetiden til elektroniske komponenter alvorlig levetiden til sensorhodet for elektroniske transformatorer. Derfor må alle komponenter undergå aldringsscreening før bruk.

For å forbedre signal-støy-forholdet, blir strøm- og spenningssignal forsterket inne i sensorhodet. Forsterkningskretsen for strømsignal er på PCB-spiralen, og forsterkningskretsen for spenningssignal er på det fleksible kretskortet. Høytydige instrumentforsterkere brukes for forsterkerne.

3 Testing av kombinert elektronisk transformator

I tråd med de nevnte prinsippene og strukturen, samt standardene IEC 60044-7 og IEC 60044-8, har det blitt designet en prototyp for en 10 kV/600 A integrert spenning/strøm-elektronisk transformator. For spenningstransformator, er målenøyaktigheten klasse 0.5, og beskyttelsesnivået er 3P; for strømtransformator, er målenøyaktigheten klasse 0.2, og beskyttelsesnøyaktigheten er 5P20.

Under testingen passerer forskjellige strømer gjennom den elektroniske transformator, og forskjellige spenninger påføres den. Sekundærutgangen sendes ut gjennom en digital port. Etter å ha blitt vist av det digitale visningsenheter, sammenlignes den med referansestrømtransformator og referansespenningtransformator. Dens målenøyaktighet oppfyller designkravene.

Samtidig utføres nettfrekvensmessige spenningsmål, delvis utslipp, lynimpuls, og elektromagentisk kompatibilitetstesting på prototypen. At disse testene blir bestått, indikerer riktigheiten av designløsningen.

4 Konklusjoner

(1) Ved å bruke en spenningsoverføringskondensator sammensatt av ekvivalente kondensatorer og en Rogowski-spiral laget av et trykkrets-kort som spenning- og strømsensorer, har den en enkel struktur, god produktinteroperabilitet og høy målenøyaktighet.

(2) Ved å bruke teknologier for trykkrets-kort og fleksible trykkrets-kort, kan forsterkningskretsen bygges inne i sensorhodet, noe som forbedrer signal-støy-forholdet til målesignalet.

(3) Ved å kombinere elektronisk spenningstransformator og elektronisk strømtransformator til én, danner man en kombinert spenning-strøm-transformator, som ikke bare kan redusere kostnadene for primærutstyr, men også forbedre nøyaktigheten og kapasiteten til sekundærkretsen for spenningen på en enkelt linje. Det oppfyller nye krav for sekundærmåling og beskyttelse, og er også i samsvar med kontrollkonseptet for moderne kraftsystemer som tar switchgear intervaller som enheter.