Princip merenja sastav i testiranje kombinovanih elektronskih transformatora
1 Princip mjeranja kombinovanih elektronskih transformatora
1.1 Princip mjeranja napona
Elektronski transformatori mjerljaju napon koristeći metodu kapacitivnog dijeljenja napona. Budući da se napon preko kondenzatora ne može iznenadno promijeniti, sekundarni napon direktno dobiti preko kapacitivnog dijeljenja ima loš odgovor na prelazne stanje i nisku preciznost mjerenja. Da bi se poboljšala preciznost mjerenja, paralelno sa niskonaponskim kondenzatorom spojen je precizni uzorak otpornika. Njegov princip prikazan je na Slici 1.
Na Slici 1, pod uslovom da je
Izlazni napon napajajućeg kondenzatora proporcionalan je vremenskom derivatu merenog napona. Dodavanjem integracijskog lanca, može se izmjeriti primarni napon.
Na Slici 1, budući da veći dio padanja napona događa se preko C1, postoji vrlo visok zahtev za izolacijom kondenzatora C1. U elektromagnetskim napajajućim transformatorima obično se koriste moćni kondenzatori, dok u elektronskim napajajućim transformatorima ne koriste se moćni kondenzatori, već se koriste ekvivalentni kondenzatori.
Struktura delilnog kondenzatora takva je da je cilindar od izolacionog materijala naslonjen na provodni štap. Zatim se dvostruka fleksibilna kolačna ploča pridružuje vanjskoj strani cilindra. Precizni otpornik je čip otpornik priložen vanjskom sloju fleksibilne kolačne ploče. Strukturni shematski prikaz kondenzatorskog delilnog napona prikazan je na Slici 2.
Kapacitet C1 formiran je unutarnjim slojem cilindra. Provodni štap ekvivalentan je jednom elektrodnom plitku, a unutarnji bakreni film fleksibilne kolačne ploče ekvivalentan je drugom elektrodnom plitku, s izolacionim materijalom kao dielektrikom. Kapacitet C2 formiran je spoljnim slojem cilindra. Dvostrani bakreni filmovi dvostruke fleksibilne kolačne ploče ekvivalentni su elektrodama, a osnovni materijal fleksibilne kolačne ploče, poput poliimidne, služi kao dielektrik. Njegov presjek u radijalnom smjeru prikazan je na Slici 3. Ekvivalentni kapacitet C može se izračunati formulom.
U formuli: r1 je unutrašnji poluprečnik cilindra; r2 je spoljnji poluprečnik cilindra; H je dužina fleksibilne kolačne ploče; εr je relativna permitivnost dielektrika; ε0 je permitivnost vakua.
1.2 Princip mjeranja struja
Elektronski transformatori koriste Rogowski-jeve cekove za mjeranje struje. Odnos izlaznog napona na sekundarnoj strani i ulazne struje na primarnoj strani je sljedeći:
U formuli, M je konstanta koja nije zavisna od položaja merene struje. Izlazni napon Rogowski-jevog ceka proporcionalan je derivatu merene struje. Stoga, dodavanjem integracijskog lanca nakon izlaza Rogowski-jevog ceka, može se vratiti merena struja.
U ovom projektu, Rogowski-jev cek je izrađen od tiskačke kolačne ploče. Njegova osetljivost, preciznost mjerenja, stabilnost performansi, zamjenjivost proizvoda i produktivnost proizvodnje su sve superiorni u odnosu na tradicionalno savijene cekove.
Da bi se smanjila interferencija pomoćnih magnetnih polja i poboljšala preciznost mjerenja, Rogowski-jev cek izrađen od tiskačke kolačne ploče obično koristi dva ceka spojena serijalno kako bi se formirao diferencijalni ulaz. Smjer savijanja ova dva PCB ceka različit je. Jedan je savijen prema pravilu desne ruke, a drugi prema pravilu lijeve ruke. Na taj način generiraju se dva inducirana napona suprotnih polariteta, a izlazni napon serijalnog spoja dva puta je veći od izlaznog napona jednog Rogowski-jevog ceka, kao što je prikazano na Slici 4.
1.2 Princip mjeranja struje (Nastavak)
Zbog različitih koeficijenata termičkog širenja bakrene folije i substrata PCB, njihove deformacije se razlikuju kada se temperatura menja. Da bi se smanjile greške koje nastaju zbog deformacija i sprečili lom bakrene folije, izrađeni PCB cekovi podliježu procesu starenja temperature. Taj proces, s jedne strane, oslobađa unutrašnji stres cekova kako bi se smanjile greške, a s druge strane, služi za selekciju cekova.
Iako Rogowski-jevi cekovi sa diferencijalnim izlazom imaju snažnu sposobnost potiskivanja zajedničkog režima, elektromagnetska polja od 10 kV još uvijek predstavljaju značajan izvor interferencije. Stoga je potrebno obaviti Rogowski-jeve cekove bakrenom folijom i zemljiti tu bakrenu foliju.
2 Princip sastavljanja kombinovanih elektronskih transformatora
2.1 Shematski prikaz sastavljanja kombinovanih elektronskih transformatora
Shematski prikaz kombinovanog elektronskog transformatora prikazan je na Slici 5. Primarni napon i struja pretvoreni su u sekundarne signale kondenzatorom i Rogowski-jevim cekom. Integracijom i pomakom faze sekundarnih signala, mogu se dobiti signali proporcionalni primarnim signalima. Da bi se poboljšala preciznost, integracija i kompenzacija faze merenih signala mogu se ostvariti putem metoda obrade digitalnih signala. Međutim, obrada digitalnih signala ima određenu kašnjenje i ne može u realnom vremenu odraziti primarne signale. Stoga, ovaj način obrade nije prikladan za signale zaštite. Budući da signali zaštite imaju niže zahteve za preciznost mjerenja, analogne kružnice mogu se direktno koristiti za pojačanje, integraciju i kompenzaciju faze.
2.2 Struktura senzorske glave kombinovanog elektronskog transformatora
Kombinovani elektronski transformator embalira jedinicu za mjeranje napona i jedinicu za mjeranje struje u strukturu prikazanu na Slici 6 korišćenjem vakuumskog lisitanja epoksidne smole.
Rogowski-jev cek je lisitan na nosaču struje. Nakon pojačanja, izlazni signal ceka prenosi se na izlazni terminal putem signalline. Budući da pojačivač zahteva dvostrano napajanje, tri od višežica signalline koriste se za prenos napajanja.
Budući da kroz provodni štap napajajućeg transformatora ne teče struja, i kako bi se povećalo udaljenje između provodnika, prihvaćena je struktura u kojoj su provodni štap i nosač struje okomiti jedan na drugi.
Budući da je senzorska glava aktivnog tipa, životni vijek elektronskih komponenti ozbiljno ograničava životni vijek senzorske glave elektronskog transformatora. Stoga, sve komponente moraju podlijeti procesu starenja i selekcije prije upotrebe.
Da bi se poboljšao odnos signala i šuma, strujni i naponski signali pojačani su unutar senzorske glave. Pojačavajuća kružnica za strujni signal nalazi se na PCB ceku, a pojačavajuća kružnica za naponski signal nalazi se na fleksibilnoj kolačnoj ploči. Za pojačivače koriste se visokoperformantni instrumenti pojačivači.
3 Testiranje kombinovanog elektronskog transformatora
U skladu s prethodno navedenim principima i strukturom, kao i standardima IEC 60044-7 i IEC 60044-8, dizajniran je prototip integriranog elektronskog transformatora napona i struje od 10 kV/600 A. Za napajajući transformator, preciznost mjerenja je klase 0.5, a nivo zaštite je 3P; za strujni transformator, preciznost mjerenja je klase 0.2, a preciznost zaštite je 5P20.
Tokom testiranja, kroz elektronski transformator prolažu različite struje i primjenjuju se različiti naponi. Sekundarni izlaz emitiran je putem digitalnog porta. Nakon prikaza na digitalnoj prikaznoj jedinici, uspoređuje se sa referentnim strujnim i referentnim napajajućim transformatorom. Preciznost mjerenja odgovara zahtevima dizajna.
U isto vreme, na prototipu izvršena su ispitivanja izdržljivosti na mrežnu frekvenciju, djelomični razlaganje, gromobitne impulse i elektromagnetnu kompatibilnost. Prođenje ovih testova ukazuje na ispravnost dizajnske sheme.
4 Zaključci
(1) Korišćenjem delilnog kondenzatora sastavljenog od ekvivalentnih kondenzatora i Rogowski-jevog ceka izrađenog od tiskačke kolačne ploče kao senzora za napon i struju, ima jednostavnu strukturu, dobru zamjenjivost proizvoda i visoku preciznost mjerenja.
(2) Korišćenjem tehnologije tiskačke kolačne ploče i fleksibilne tiskačke kolačne ploče, pojačavajuća kružnica može biti izgrađena unutar senzorske glave, poboljšavajući odnos signala i šuma merenog signala.
(3) Kombinovanjem elektronskog napajajućeg transformatora i elektronskog strujnog transformatora u jedan formira se kombinovani transformator napona i struje, što ne samo smanjuje troškove primarnog opreme, već i poboljšava preciznost i kapacitet sekundarnog kruga za napon jedne linije. To zadovoljava nove zahteve za sekundarno mjerenje i zaštitu, a takođe odgovara kontolnom konceptu modernih sistemskih napajanja koji uzima intervali prekidača kao jedinice.
