Princípio de Medição Composição e Teste de Transformadores Eletrônicos Combinados
1 Princípio de Medição dos Transformadores Eletrônicos Combinados
1.1 Princípio de Medição de Tensão
Transformadores eletrônicos medem tensão usando o método de divisão capacitiva de tensão. Como a tensão em um capacitor não pode mudar abruptamente, a tensão secundária obtida diretamente através da divisão capacitiva tem uma resposta transitória ruim e baixa precisão de medição. Para melhorar a precisão da medição, um resistor de amostragem preciso é conectado em paralelo ao capacitor de baixa tensão. Seu princípio é mostrado na Figura 1.
Na Figura 1, sob a condição de que
A tensão de saída do capacitor divisor de tensão é proporcional à derivada temporal da tensão medida. Ao adicionar um elo de integração, a tensão primária pode ser medida.
Na Figura 1, como a maioria da queda de tensão ocorre em C1, há requisitos muito altos para a isolamento do capacitor C1. Em transformadores eletromagnéticos de tensão, geralmente são usados capacitores de potência, enquanto em transformadores eletrônicos de tensão, não são usados capacitores de potência; em vez disso, são adotados capacitores equivalentes.
A estrutura do capacitor divisor de tensão é que um cilindro feito de material isolante é colocado sobre um eixo condutor. Em seguida, uma placa de circuito flexível de dupla camada é fixada no exterior do cilindro. O resistor preciso é um resistor de chip fixado na camada externa da placa de circuito flexível. O diagrama esquemático da estrutura do divisor de tensão capacitivo é mostrado na Figura 2.
A capacitância de C1 é formada pelo cilindro interno. O eixo condutor é equivalente a uma das placas do capacitor, e o filme de cobre interno da placa de circuito flexível é equivalente à outra placa, com o material isolante como o dielétrico. A capacitância de C2 é formada pelo cilindro externo. Os filmes de cobre de ambos os lados da placa de circuito flexível de dupla camada são equivalentes às placas do capacitor, e o material base da placa de circuito flexível, como poliimida, serve como o dielétrico. Sua seção transversal radial é mostrada na Figura 3. A capacitância equivalente C pode ser calculada pela fórmula.
Na fórmula: r1 é o raio interno do cilindro; r2 é o raio externo do cilindro; H é o comprimento da placa de circuito impresso flexível; εr é a permissividade relativa do eletrolito; ε0 é a permissividade do vácuo.
1.2 Princípio de Medição de Corrente
Transformadores eletrônicos usam bobinas de Rogowski para medir corrente. A relação entre a tensão de saída secundária e a corrente de entrada primária é a seguinte:
Na fórmula, M é uma constante irrelevante para a posição da corrente medida. A tensão de saída da bobina de Rogowski é proporcional à derivada da corrente medida. Portanto, adicionando um elo de integração após a saída da bobina de Rogowski, a corrente medida pode ser restaurada.
Neste projeto, a bobina de Rogowski é uma bobina de Rogowski feita de uma placa de circuito impresso. Sua sensibilidade, precisão de medição, estabilidade de desempenho, intercambiabilidade do produto e eficiência de produção são todas superiores às de bobinas tradicionalmente enroladas.
Para reduzir a interferência do campo magnético acessório e melhorar a precisão da medição, a bobina de Rogowski feita de placa de circuito impresso geralmente usa duas bobinas conectadas em série para formar uma entrada diferencial. As direções de enrolamento dessas duas bobinas de PCB são diferentes. Uma é enrolada de acordo com a regra da mão direita, e a outra é enrolada de acordo com a regra da mão esquerda. Dessa forma, geram-se duas tensões induzidas com polaridades opostas, e a tensão de saída da conexão em série é o dobro da de uma única bobina de Rogowski, conforme mostrado na Figura 4.
1.2 Princípio de Medição de Corrente (Continuação)
Devido às diferentes taxas de expansão térmica do filme de cobre e do substrato de PCB, suas quantidades de deformação diferem quando a temperatura muda. Para reduzir erros causados pela deformação e prevenir a quebra do filme de cobre, as bobinas de PCB fabricadas passam por um processo de envelhecimento térmico. Este processo, por um lado, libera o estresse interno das bobinas para minimizar erros e, por outro, serve para selecionar as bobinas.
Embora as bobinas de Rogowski com saída diferencial tenham forte capacidade de supressão de modo comum, a interferência do campo elétrico de 10 kV permanece significativa. Portanto, é necessário envolver as bobinas de Rogowski com folha de cobre e aterrar a folha de cobre.
2 Princípio de Composição dos Transformadores Eletrônicos Combinados
2.1 Diagrama de Blocos da Composição dos Transformadores Eletrônicos Combinados
O diagrama de blocos do transformador eletrônico combinado é mostrado na Figura 5. A tensão e a corrente primárias são convertidas em sinais secundários pelo capacitor e pela bobina de Rogowski. Integrando e deslocando a fase dos sinais secundários, podem ser obtidos sinais proporcionais aos sinais primários. Para melhorar a precisão, a integração e a compensação de fase dos sinais de medição podem ser alcançadas por métodos de processamento de sinal digital. No entanto, o processamento de sinal digital tem um certo atraso e não pode refletir os sinais primários em tempo real. Assim, esse método de processamento não é adequado para sinais de proteção. Como os sinais de proteção têm requisitos menores de precisão de medição, circuitos analógicos podem ser usados diretamente para amplificação, integração e processamento de compensação de fase.
2.2 Estrutura da Cabeça Sensora do Transformador Eletrônico Combinado
O transformador eletrônico combinado encapsula a unidade de medição de tensão e a unidade de medição de corrente na estrutura mostrada na Figura 6 usando fundição a vácuo de resina epóxi.
A bobina de Rogowski é moldada no barramento de corrente. Após a amplificação, o sinal de saída da bobina é enviado ao terminal de saída por meio de um cabo de sinal. Como o amplificador requer uma alimentação dual, 3 dos cabos de sinal multicore são usados para transmissão de energia.
Como não há corrente fluindo pelo eixo condutor do transformador de tensão, e para aumentar a distância de rastejamento, é adotada uma estrutura onde o eixo condutor e o barramento de corrente são perpendiculares um ao outro.
Como a cabeça sensora é ativa, a vida útil dos componentes eletrônicos restringe severamente a vida útil da cabeça sensora do transformador eletrônico. Portanto, todos os componentes devem passar por um processo de seleção por envelhecimento antes do uso.
Para melhorar a relação sinal-ruído, os sinais de corrente e tensão são amplificados dentro da cabeça sensora. O circuito de amplificação para o sinal de corrente está na bobina de PCB, e o circuito de amplificação para o sinal de tensão está na placa de circuito flexível. Amplificadores de instrumentação de alto desempenho são usados para os amplificadores.
3 Testes do Transformador Eletrônico Combinado
Conforme os princípios e a estrutura mencionados acima, bem como as normas IEC 60044-7 e IEC 60044-8, foi projetado um protótipo de transformador eletrônico combinado de 10 kV/600 A. Para o transformador de tensão, a precisão de medição é Classe 0,5, e o nível de proteção é 3P; para o transformador de corrente, a precisão de medição é Classe 0,2, e a precisão de proteção é 5P20.
Durante o teste, diferentes correntes são passadas pelo transformador eletrônico e diferentes tensões são aplicadas a ele. A saída secundária é emitida por meio de uma porta digital. Após ser exibida pela unidade de exibição digital, é comparada com o transformador de corrente de referência e o transformador de tensão de referência. Sua precisão de medição atende aos requisitos de projeto.
Ao mesmo tempo, são realizados testes de resistência a tensão de frequência de rede, descarga parcial, impulso de raio e compatibilidade eletromagnética no protótipo. A aprovação desses testes indica a correção do esquema de design.
4 Conclusões
(1) Usando um capacitor divisor de tensão composto por capacitores equivalentes e uma bobina de Rogowski feita com uma placa de circuito impresso como sensores de tensão e corrente, tem uma estrutura simples, boa intercambiabilidade do produto e alta precisão de medição.
(2) Adotando tecnologias de placa de circuito impresso e placa de circuito impresso flexível, o circuito de amplificação pode ser construído dentro da cabeça sensora, melhorando a relação sinal-ruído do sinal de medição.
(3) Combinando o transformador eletrônico de tensão e o transformador eletrônico de corrente em um para formar um transformador combinado de tensão-corrente, não apenas pode reduzir o custo do equipamento primário, mas também melhorar a precisão e a capacidade do circuito secundário para a tensão de uma única linha. Atende aos novos requisitos de medição e proteção secundária e também se alinha com o conceito de controle de sistemas de energia modernos que consideram intervalos de equipamentos de manobra como unidades.
