Mätprincip Komposition och testning av kombinerade elektroniska transformatorer
1 Mätprincip för kombinerade elektroniska transformatorer
1.1 Mätprincip för spänning
Elektroniska transformatorer mäter spänning med hjälp av kapacitiv spänningsdelning. Eftersom spänningen över en kondensator inte kan ändras abrupt har den sekundära spänningen som erhålls direkt genom kapacitiv spänningsdelning en dålig transientsvar och låg mätprecision. För att förbättra mätprecisionen ansluts en precisionsmätresistor parallellt till lågspänningskondensatorn. Dess princip visas i figur 1.
I figur 1, under villkoret att
Utgångsspänningen från spänningsdelningskondensatorn är proportionell mot tidsderivatan av den mätta spänningen. Genom att lägga till en integrationslänk kan primärspänningen mätas.
I figur 1, eftersom det mesta av spänningsfallet uppstår över C1, finns det mycket höga krav på isoleringen av kondensatorn C1. I elektromagnetiska spänningstransformatorer används vanligtvis strömkondensatorer, medan i elektroniska spänningstransformatorer används inte strömkondensatorer, istället används ekvivalenta kondensatorer.
Strukturen för spänningsdelningskondensatorn är att en cylinder gjord av isolerande material är monterad på en ledande stång. Därefter fästs en dubbelplatt flexibel kretsbräda på utsidan av cylindern. Precisionsresistorn är en chipresistor fäst på yttersidan av den flexibla kretsbrädan. Strukturskissen för kondensatorspänningsdelaren visas i figur 2.
Kapacitansen för C1 bildas av inre laget av cylindern. Ledande stången motsvarar ett elektrodskikt, och den inre kopparfilmen på den flexibla kretsbrädan motsvarar det andra elektrodskiktet, med isolerande material som dielektrikum. Kapacitansen för C2 bildas av yttre laget av cylindern. Dubbla kopparfilmer på den dubbelplatta flexibla kretsbrädan motsvarar elektroderna, och basmaterial för den flexibla kretsbrädan, såsom polyimid, fungerar som dielektrikum. Dess radiella tvärsnitt visas i figur 3. Den ekvivalenta kapacitansen C kan beräknas med formeln.
I formeln: r1 är den inre radien av cylindern; r2 är den yttre radien av cylindern; H är längden av den flexibla tryckkretsbrädan; εr är det relativa dielektriska konstantvärdet för elektrolyten; ε0 är vakuumdielektriciteten.
1.2 Mätprincip för ström
Elektroniska transformatorer använder Rogowski-spiraler för att mäta ström. Sambandet mellan sekundära utgångsspänningen och primärinmatningsströmmen är följande:
I formeln är M en konstant oberoende av positionen för den mätta strömmen. Utgångsspänningen från Rogowski-spiralen är proportionell mot derivatan av den mätta strömmen. Därför kan den mätta strömmen återskapas genom att lägga till en integrationslänk efter utgången från Rogowski-spiralen.
I detta projekt är Rogowski-spiralen en Rogowski-spiral framtagen med en tryckkretsbräda. Dess känslighet, mätprecision, prestandastabilitet, produktinterbytbartitet och produktionseffektivitet är alla bättre än de traditionellt virade spiralformarna.
För att minska störningar från tillbehörsfältet och förbättra mätprecisionen använder en Rogowski-spiral framtagen med en tryckkretsbräda vanligtvis två spiraler seriekopplade för att forma en differentiell inmatning. Virningsriktningarna för dessa två PCB-spiraler är olika. En viras enligt högerhandregeln, och den andra enligt vänsterhandregeln. På detta sätt genereras två inducerade spänningar med motsatta polariteter, och utgångsspänningen från seriekopplingen är dubbelt så stor som för en enskild Rogowski-spiral, som visas i figur 4.
1.2 Mätprincip för ström (fortsättning)
På grund av de olika termiska expansionskoefficienterna för kopparfilmen och PCB-substratet skiljer sig deras deformationsmängder åt vid temperaturförändringar. För att minska fel orsakade av deformation och förhindra kopparfilmens bristning genomgår de tillverkade PCB-spiralerna en temperaturåldrandeprocess. Denna process frigör spiralernas interna spänning för att minimera fel och fungerar också som en skärm för spiralerna.
Även om Rogowski-spiraler med differentiell utgång har starka gemensamma lägesundertryckningsförmågor, är störningen från 10 kV-elektromagnetiskt fält fortfarande betydande. Därför är det nödvändigt att omhölja Rogowski-spiralerna med kopparfolie och jorda kopparfolien.
2 Samsättning princip för kombinerade elektroniska transformatorer
2.1 Blockdiagram för sammansättning av kombinerade elektroniska transformatorer
Blockdiagrammet för den kombinerade elektroniska transformatorn visas i figur 5. Primärspänningen och strömmen konverteras till sekundära signaler genom kondensatorn och Rogowski-spiralen. Genom att integrera och skifta fasen på sekundära signaler kan signaler erhållas som är proportionella till de primära signalerna. För att förbättra precisionen kan integration och fasersättning av mätdata uppnås genom digitala signalbehandlingsmetoder. Men digitala signalbehandlingsmetoder har en viss fördröjning och kan inte reflektera de primära signalerna i realtid. Därför passar inte denna behandlingsmetod för skyddssignaler. Eftersom skyddssignaler har lägre krav på mätprecision kan analoga kretsar användas direkt för förstärkning, integration och fasersättning.
2.2 Struktur för sensorhuvudet av kombinerade elektroniska transformatorer
Den kombinerade elektroniska transformatorn kapslar in spänningsmätningseenheten och strömmätningseenheten i strukturen som visas i figur 6 med hjälp av epoxiresin under vakuumgjutning.
Rogowski-spiralen gjs ut på strömledande busbar. Efter förstärkning skickas spiralens utgångssignal till utgångsslutet via en signalsladd. Eftersom förstärkaren kräver en dubbel spänning, används tre av de flerkärade signalsladerna för strömförsörjning.
Eftersom ingen ström flyter genom den ledande stången i spänningstransformatorn, och för att öka krypkaveldistansen, används en struktur där den ledande stången och strömledande busbaren är vinkelräta mot varandra.
Eftersom sensorhuvudet är aktivt, begränsar livslängden hos elektroniska komponenter allvarligt sensorhuvudets livslängd för den elektroniska transformatorn. Därför måste alla komponenter genomgå åldrandesskärmning innan de används.
För att förbättra signal-buller-förhållandet, förstärks ströms- och spänningsignaler inuti sensorhuvudet. Förstärkningskretsen för strömsignalen är på PCB-spiralen, och förstärkningskretsen för spänningsignalen är på den flexibla kretsbrädan. Högpresterande instrumentförstärkare används för förstärkarna.
3 Test av kombinerade elektroniska transformatorer
I enlighet med de ovan nämnda principerna och strukturen, samt standarderna IEC 60044-7 och IEC 60044-8, har en prototyp för en 10 kV/600 A integrerad spänning/ström elektronisk transformator utformats. För spänningstransformatorn är mätprecisionen klass 0.5, och skyddsnivån är 3P; för strömtransformatorn är mätprecisionen klass 0.2, och skyddsnivån är 5P20.
Under test passerar olika strömmar genom den elektroniska transformatorn och olika spänningar appliceras på den. Sekundär utgång matas ut genom en digital port. Efter visning av den digitala visningen jämförs den med referensströmtransformatorn och referensspänningstransformatorn. Mätprecisionen uppfyller designkraven.
Samtidigt genomförs prov på netspänningsuthållighet, delvis utlösning, blixtimpuls och elektromagnetisk kompatibilitet på prototypen. Att dessa tester godkänts indikerar rättigheten i designkonceptet.
4 Slutsatser
(1) Genom att använda en spänningsdelningskondensator bestående av ekvivalenta kondensatorer och en Rogowski-spiral framtagen med en tryckkretsbräda som spännings- och strömsensorer, har det en enkel struktur, bra produktinterbytbartitet och hög mätprecision.
(2) Genom att använda tryckkretsbrädeteknik och flexibel tryckkretsbrädeteknik kan förstärkningskretsen byggas inuti sensorhuvudet, vilket förbättrar signal-buller-förhållandet för mätdata.
(3) Genom att kombinera den elektroniska spänningstransformatorn och den elektroniska strömtransformatorn till en enhet för att forma en kombinerad spänning-ström-transformator, kan inte bara kostnaden för primärekipement minskas, utan även noggrannheten och kapaciteten i sekundärcirkuiten för spänningen på en enda linje förbättras. Det uppfyller de nya kraven för sekundär mätning och skydd, och stämmer också överens med kontrollkonceptet i moderna elkraftsystem som tar switchgear-intervaller som enheter.
