Načelo merjenja sestava in preskušanje kombiniranih elektronskih transformatorjev
1 Načelo meritve kombiniranih elektronskih transformatorjev
1.1 Načelo meritve napetosti
Elektronski transformatorji meritve napetosti uporabljajo metodo deljenja kapacitivne napetosti. Ker se napetost preko kondenzatorja ne more nenadno spremeniti, ima sekundarna napetost, pridobljena neposredno s kapacitivnim deljenjem napetosti, slabo odziv na prehode in nizko točnost meritve. Za izboljšanje točnosti meritve je na vzporedni strani nizek-napetostni kondenzator priključen natančen vzorčevalni upornik. Njegovo načelo je prikazano na Sliki 1.
Na Sliki 1, pod pogoji
Izhodna napetost delilnega kondenzatorja je sorazmerna s časovno odvodom merjene napetosti. S dodajanjem integracijskega vezja lahko izmerimo primarno napetost.
Na Sliki 1, ker se večina padca napetosti zgodi preko C1, obstajajo zelo visoki zahtevi glede izolacije kondenzatorja C1. V elektromagnetnih napetostnih transformatorjih se običajno uporabljajo močni kondenzatorji, medtem ko v elektronskih napetostnih transformatorjih močni kondenzatorji niso uporabljeni; namesto tega se uporabljajo ekvivalentni kondenzatorji.
Struktura delilnega kondenzatorja je, da je cilindar iz izolacijskega materiala postavljen na vodilni trak. Nato je dvostranska gibljiva površinska plošča pričrpljena na zunanjo stran cilindra. Natančen upornik je čip-upornik, ki je pričrpljen na zunanji plasti gibljive površinske plošče. Strukturna shema kondenzatorskega delilnika napetosti je prikazana na Sliki 2.
Kapacitancna vrednost C1 je ustvarjena z notranjim slojem cilindra. Vodilni trak je enakovreden eni elektrodni plošči, in notranji bakreni film gibljive površinske plošče je enakovreden drugi elektrodni plošči, z izolacijskim materialom kot dielektrikom. Kapacitancna vrednost C2 je ustvarjena z zunanjim slojem cilindra. Dvostranski bakreni filmi dvostranske gibljive površinske plošče so enakovredni elektrodnim ploščam, in osnovni material gibljive površinske plošče, kot je polimid, služi kot dielektrik. Njegov prereznik v radialni ravnini je prikazan na Sliki 3. Ekvivalentna kapacitancna vrednost C se lahko izračuna s formulo.
V formuli: r1 je notranji polmer cilindra; r2 je zunanji polmer cilindra; H je dolžina gibljive površinske plošče; εr je relativna permitivnost dielektrika; ε0 je permitivnost vakuma.
1.2 Načelo meritve toka
Elektronski transformatorji meritve toka uporabljajo Rogowskijeve krogle. Odnos med sekundarno izhodno napetostjo in primarnim vhodnim tokom je naslednji:
V formuli je M konstanta, ki ni odvisna od položaja merjenega toka. Izhodna napetost Rogowskieve krogle je sorazmerna s odvodom merjenega toka. Zato s dodajanjem integracijskega vezja za izhod Rogowskieve krogle lahko obnovimo merjeni tok.
V tem projektu je Rogowskijeva krogla Rogowskijeva krogla, izdelana iz tiska površinske plošče. Njena občutljivost, točnost meritve, stabilnost delovanja, zamenjavo izdelkov in učinkovitost proizvodnje so boljše od tradicionalno ovijanih krogel.
Za zmanjšanje motenj dodatnega magnetnega polja in izboljšanje točnosti meritve se Rogowskijeva krogla, izdelana iz tiska površinske plošče, običajno sestavlja iz dveh krogel, povezanih zaporedno, da tvori diferencialni vhod. Smernosti ovijanja teh dveh PCB krogel sta različni. Ena je ovijena po desni roki, druga pa po levi roki. Tako se generirata dve inducirani napetosti s protismeranimi polaritami, in izhodna napetost zaporedne povezave je dvakrat večja kot pri eni Rogowskijevi krogli, kot je prikazano na Sliki 4.
1.2 Načelo meritve toka (Nadaljevanje)
Zaradi različnih koeficientov termalne raztegnosti bakrene folije in podlage PCB, njihova deformacija pri spremembi temperature razlikuje. Za zmanjšanje napak, ki jih povzroča deformacija, in za preprečevanje lomljenja bakrene folije, dobljene PCB krogli podvržemo proces staranja temperature. Ta proces na eni strani izpušča notranje napetosti v kroglih, da zmanjša napake, in na drugi strani služi za preseljevanje krogel.
Čeprav imajo Rogowskijeve krogli z diferencialnim izhodom močno sposobnost utiševanja skupnega načina, ostane pomembna motenje električnega polja 10 kV. Zato je potrebno Rogowskijeve kroglice oplestiati s bakreno folijo in bakreno folijo priključiti na maso.
2 Sestavni princip kombiniranih elektronskih transformatorjev
2.1 Sestavni blok diagram kombiniranih elektronskih transformatorjev
Blok diagram kombiniranega elektronskega transformatorja je prikazan na Sliki 5. Primarna napetost in tok so pretvorjeni v sekundarne signale z uporabo kondenzatorja in Rogowskijeve kroglice. S integracijo in faznim premikanjem sekundarnih signalov se lahko pridobi signali, ki so sorazmerni z primarnimi signalami. Za izboljšanje točnosti se lahko merski signali integrirajo in fazno kompenzirajo z metodo digitalne obdelave signala. Vendar ima digitalna obdelava signala določeno zamudo in ne more v realnem času odražati primarnih signalov. Zato ta način obdelave ni primeren za zaščitne signale. Ker zaščitni signali zahtevajo manj točnost meritve, se lahko analogna vezja neposredno uporabljajo za pospeševanje, integracijo in fazno kompenzacijo.
2.2 Struktura senzorskega glave kombiniranega elektronskega transformatorja
Kombinirani elektronski transformator enkapsulira enoto za merjenje napetosti in enoto za merjenje toka v strukturo, prikazano na Sliki 6, z epoksidsko smolo v vakuumu.
Rogowskijeva krogla je odlijevana na nosilnik toka. Po pospeševanju je izhodni signal kroglice poslan na izhodni terminal preko signala. Ker pospeševalnik zahteva dvojni vir napajanja, se tri žice večžiljnega signala uporabljajo za prenos napajanja.
Ker skozi vodilni trak napetostnega transformatorja ne teče toka, in za povečanje drsnega razmika, se uporablja struktura, kjer je vodilni trak in nosilnik toka pravokotna.
Ker je senzorski glava aktivnega tipa, življenjska doba elektronskih komponent resno omejuje življenjsko dobo senzorskega glave elektronskega transformatorja. Zato morajo vse komponente pred uporabo preiti proces staranja in selekcije.
Za izboljšanje omernega razmerja signala in šuma so tok in napetost pospešeni znotraj senzorskega glave. Pospeševalni vezji za tok so na PCB krogli, in pospeševalni vezji za napetost so na gibljivi površinski plošči. Za pospeševalnike se uporabljajo visoko zmogljivi instrumentacijski pospeševalniki.
3 Preverjanje kombiniranega elektronskega transformatorja
V skladu z zgornjimi principi in strukturo ter standardi IEC 60044-7 in IEC 60044-8 je bil razvit prototip kombiniranega elektronskega transformatorja za napetost in tok 10 kV/600 A. Za napetostni transformator je točnost meritve razred 0.5, in stopnja zaščite je 3P; za tokovni transformator je točnost meritve razred 0.2, in točnost zaščite je 5P20.
Med testom so skozi elektronski transformator prodrevali različni tokovi in nanj uporabili različne napetosti. Sekundarni izhod je bil izveden preko digitalnega vmesnika. Po prikazu s digitalnim prikazovalnim enotom se je primerjal z referenčnim tokovnim transformatorjem in referenčnim napetostnim transformatorjem. Njegova točnost meritve je v skladu s predpisi projekta.
Hkrati so na prototipu izvedli preizkuse občasnega izdržljivosti napetosti, delne razbujave, bleskovskega udara in elektromagnetske združljivosti. Uspesni rezultati teh preizkusov kažejo na pravilnost dizajnskega rešitve.
4 Zaključki
(1) Uporaba delilnega kondenzatorja, sestavljenega iz ekvivalentnih kondenzatorjev, in Rogowskijeve kroglice, izdelane iz tiska površinske plošče, kot senzorjev za napetost in tok, ima preprosto strukturo, dobro zamenjavo izdelkov in visoko točnost meritve.
(2) Z uporabo tehnologije tiska površinske plošče in gibljive površinske plošče se lahko pospeševalni vezji zgradijo znotraj senzorskega glave, kar izboljša omerni razmerje merskega signala.
(3) Kombiniranje elektronskega napetostnega transformatorja in elektronskega tokovnega transformatorja v eno enoto, da tvori kombiniran napetostni-tokovni transformator, ne le zniža stroške primarnega oprem, ampak tudi izboljša točnost in zmogljivost sekundarnega kruga za napetost ene linije. To izpolnjuje nove zahteve za sekundarno merjenje in zaščito ter se prilega kontroldnemu konceptu sodobnih sistemov električne energije, ki temelji na intervalih preklopne opreme.
