Принцип измерения состава и испытания комбинированных электронных трансформаторов
1 Принцип измерения комбинированных электронных трансформаторов
1.1 Принцип измерения напряжения
Электронные трансформаторы измеряют напряжение с использованием метода емкостного деления напряжения. Поскольку напряжение на конденсаторе не может изменяться скачкообразно, вторичное напряжение, полученное непосредственно через емкостное деление, имеет плохую переходную характеристику и низкую точность измерения. Для улучшения точности измерения к низковольтному конденсатору параллельно подключается прецизионный резистор. Его принцип показан на рисунке 1.
На рисунке 1 при условии
Выходное напряжение делительного конденсатора пропорционально временной производной измеряемого напряжения. Добавление интегрирующего звена позволяет измерить первичное напряжение.
На рисунке 1, поскольку большая часть падения напряжения происходит на C1, к изоляции конденсатора C1 предъявляются очень высокие требования. В электромагнитных напряженческих трансформаторах обычно используются силовые конденсаторы, тогда как в электронных напряженческих трансформаторах вместо них применяются эквивалентные конденсаторы.
Структура делительного конденсатора состоит в том, что цилиндр из диэлектрического материала надевается на проводящий стержень. Затем на внешнюю поверхность цилиндра прикрепляется двухслойная гибкая печатная плата. Прецизионный резистор представляет собой чип-резистор, прикрепленный к внешнему слою гибкой печатной платы. Схематическое изображение структуры конденсаторного делителя показано на рисунке 2.
Емкость C1 образуется внутренним цилиндром. Проводящий стержень эквивалентен одной обкладке, а внутренняя медная пленка гибкой печатной платы — другой обкладке, с диэлектриком в виде диэлектрического материала. Емкость C2 образуется внешним цилиндром. Двухсторонние медные пленки двухслойной гибкой печатной платы эквивалентны обкладкам, а основа гибкой печатной платы, такая как полиимид, служит диэлектриком. Его радиальное поперечное сечение показано на рисунке 3. Эквивалентная емкость C может быть рассчитана по формуле.
В формуле: r1 — внутренний радиус цилиндра; r2 — внешний радиус цилиндра; H — длина гибкой печатной платы; εr — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; ε0 — электрическая постоянная.
1.2 Принцип измерения тока
Электронные трансформаторы используют катушки Роговского для измерения тока. Соотношение между выходным напряжением вторичной обмотки и входным током первичной обмотки следующее:
В формуле M — это постоянная, не зависящая от положения измеряемого тока. Выходное напряжение катушки Роговского пропорционально производной измеряемого тока. Поэтому, добавив интегрирующее звено после выхода катушки Роговского, можно восстановить измеряемый ток.
В данном проекте катушка Роговского изготовлена из печатной платы. Ее чувствительность, точность измерения, стабильность характеристик, взаимозаменяемость продукции и производительность превосходят традиционные намотанные катушки.
Для снижения влияния внешнего магнитного поля и улучшения точности измерения, катушка Роговского, изготовленная из печатной платы, обычно использует две катушки, соединенные последовательно, чтобы сформировать дифференциальный вход. Направления намотки этих двух PCB-катушек различны. Одна намотана по правилу правой руки, а другая — по правилу левой руки. Таким образом, генерируются два индуцированных напряжения с противоположными полярностями, и выходное напряжение последовательного соединения вдвое больше, чем у одной катушки Роговского, как показано на рисунке 4.
1.2 Принцип измерения тока (продолжение)
Из-за различных коэффициентов теплового расширения меди и основания печатной платы их деформации различаются при изменении температуры. Чтобы снизить ошибки, вызванные деформацией, и предотвратить разрыв медной пленки, изготовленные PCB-катушки проходят процесс старения при температуре. Этот процесс, с одной стороны, освобождает внутреннее напряжение катушек, чтобы минимизировать ошибки, а с другой стороны, служит для отбора катушек.
Хотя катушки Роговского с дифференциальным выходом имеют сильную способность подавления общего режима, воздействие электрического поля 10 кВ все еще значительное. Поэтому необходимо обернуть катушки Роговского медной фольгой и заземлить ее.
2 Принцип составления комбинированных электронных трансформаторов
2.1 Блок-схема комбинированных электронных трансформаторов
2.2 Структура головки датчика комбинированного электронного трансформатора
Комбинированный электронный трансформатор заключает блок измерения напряжения и блок измерения тока в структуру, показанную на рисунке 6, с помощью заливки эпоксидной смолой под вакуумом.
Катушка Роговского заливается на шину питания. После усиления сигнал с выхода катушки передается на вывод через сигнальный провод. Поскольку усилитель требует двойного питания, три жилы многожильного сигнального провода используются для передачи питания.
Поскольку по проводящему стержню напряженческого трансформатора не протекает ток, и для увеличения пути утечки, используется конструкция, где проводящий стержень и шина питания перпендикулярны друг другу.
Так как головка датчика активная, срок службы электронных компонентов сильно ограничивает срок службы головки датчика комбинированного электронного трансформатора. Поэтому все компоненты должны пройти процесс старения и отбора перед использованием.
Для улучшения отношения сигнал/шум, сигналы тока и напряжения усиливаются внутри головки датчика. Усиливающая цепь для сигнала тока находится на PCB-катушке, а усиливающая цепь для сигнала напряжения — на гибкой печатной плате. В качестве усилителей используются высокопроизводительные инструментальные усилители.
3 Тестирование комбинированного электронного трансформатора
Согласно вышеупомянутым принципам и структуре, а также стандартам IEC 60044-7 и IEC 60044-8, был спроектирован прототип комбинированного электронного трансформатора напряжения/тока на 10 кВ/600 А. Для напряженческого трансформатора точность измерения класса 0,5, а уровень защиты 3P; для токового трансформатора точность измерения класса 0,2, а точность защиты 5P20.
Во время тестирования через электронный трансформатор пропускаются различные токи и применяются различные напряжения. Вторичный выход выводится через цифровой порт. После отображения на цифровом дисплее он сравнивается с эталонным токовым трансформатором и эталонным напряженческим трансформатором. Его точность измерения соответствует требованиям проекта.
В то же время на прототипе проводятся испытания на выдерживание сетевого напряжения, частичные разряды, импульсы молнии и электромагнитную совместимость. Прохождение этих испытаний свидетельствует о правильности выбранной схемы.
4 Выводы
(1) Использование делителя напряжения, состоящего из эквивалентных конденсаторов, и катушки Роговского, изготовленной из печатной платы, в качестве датчиков напряжения и тока, обеспечивает простую структуру, хорошую взаимозаменяемость продукции и высокую точность измерений.
(2) Использование технологий печатных плат и гибких печатных плат позволяет создать усиливющую цепь внутри головки датчика, что улучшает отношение сигнал/шум измерительного сигнала.
(3) Объединение электронного напряженческого трансформатора и электронного токового трансформатора в один комбинированный напряженческий-токовый трансформатор не только снижает стоимость первичного оборудования, но и улучшает точность и пропускную способность вторичной цепи для напряжения одной линии. Это соответствует новым требованиям к вторичному учету и защите, а также соответствует концепции управления современных энергетических систем, основанной на интервалах коммутационного оборудования.
