Принцип вимірювання складу та тестування комбінованих електронних перетворювачів
1 Принцип вимірювання комбінованих електронних перетворювачів
1.1 Принцип вимірювання напруги
Електронні перетворювачі вимірюють напругу за допомогою методу розподілу напруги за ємністю. Оскільки напруга на конденсаторі не може змінюватися гостро, вторинна напруга, отримана безпосередньо через розподіл напруги за ємністю, має погану транзиторну відповідь і низьку точність вимірювання. Для покращення точності вимірювання до нижньонапівконденсатора паралельно підключається прецизійний пробірний резистор. Його принцип показано на рисунку 1.
На рисунку 1, при умові, що
Вихідна напруга ділючого конденсатора пропорційна похідній за часом вимірюваного напруги. Додаванням інтегрувального зв’язку можна виміряти первинну напругу.
На рисунку 1, оскільки більшість нападання напруги відбувається на C1, до ізоляції конденсатора C1 пред'являються дуже високі вимоги. У електромагнітних напружнівих перетворювачах зазвичай використовуються енергетичні конденсатори, а в електронних напружнівих перетворювачах енергетичні конденсатори не використовуються, замість цього використовуються еквівалентні конденсатори.
Структура ділючого конденсатора полягає в тому, що циліндрична форма з ізоляційного матеріалу надівается на провідний стержень. Потім, зовні циліндру прикріплюється двошарова гнучка платформа. Прецизійний резистор — це чип-резистор, прикріплений до зовнішнього шару гнучкої платформи. Схематичне зображення структури конденсатора-ділюча показано на рисунку 2.
Ємність C1 утворюється внутрішнім циліндровим шаром. Провідний стержень еквівалентний одному електроду, а внутрішній медний фольга гнучкої платформи еквівалентний іншому електроду, з ізоляційним матеріалом як діелектриком. Ємність C2 утворюється зовнішнім циліндровим шаром. Двобічні медні фольги двошарової гнучкої платформи еквівалентні електродам, а основний матеріал гнучкої платформи, такий як поліімід, служить діелектриком. Його радіальний переріз показано на рисунку 3. Еквівалентну ємність C можна обчислити за формулою.
У формулі: r1 — внутрішній радіус циліндра; r2 — зовнішній радіус циліндра; H — довжина гнучкої печатної платформи; εr — відносна диелектрична проникність електроліту; ε0 — вакуумна диелектрична проникність.
1.2 Принцип вимірювання струму
Електронні перетворювачі використовують котушку Роговського для вимірювання струму. Зв'язок між вторинною вихідною напругою та первинним вхідним струмом такий:
У формулі, M — це стала, яка не залежить від положення вимірюваного струму. Вихідна напруга котушки Роговського пропорційна похідній вимірюваного струму. Тому, додаванням інтегрувального зв'язку після виходу котушки Роговського, можна відновити вимірюваний струм.
У цьому проекті котушка Роговського виготовлена з печатної платформи. Її чутливість, точність вимірювання, стабільність виконання, взаємозамінність продуктів та продуктивність виробництва перевищують традиційно намотані котушки.
Для зменшення втручання додаткового магнітного поля та покращення точності вимірювання, котушка Роговського, виготовлена з печатної платформи, зазвичай використовує два серійно з'єднані котушки для формування диференційного входу. Направлення намотки цих двох PCB котушок різні. Одна намотана за правилом правої руки, а інша — за правилом лівої руки. Таким чином, генеруються дві викликані напруги з протилежними полярностями, і вихідна напруга серійного з'єднання удвічі більша, ніж в однієї котушки Роговського, як показано на рисунку 4.
1.2 Принцип вимірювання струму (продовження)
Залежно від різних коефіцієнтів теплового розширення медної фольги та підложки PCB, їх деформація відрізняється при зміні температури. Для зменшення помилок, спричинених деформацією, та запобігання розриву медної фольги, виготовлені PCB котушки проходять процес старіння за температурою. Цей процес, з одного боку, знижує внутрішні напруженості котушок, щоб зменшити помилки, а з іншого боку, служить для відбору котушок.
Хоча котушки Роговського з диференційним виходом мають сильну здатність до підтримки загального режиму, 10 кВ електричне поле все ще значно втручатиметься. Тому, необхідно обгорнути котушки Роговського медною фольгою та заземлити медну фольгу.
2 Принцип складу комбінованих електронних перетворювачів
2.1 Блок-схема комбінованих електронних перетворювачів
Блок-схема комбінованого електронного перетворювача показана на рисунку 5. Первінна напруга та струм перетворюються на вторинні сигнали за допомогою конденсатора та котушки Роговського. Через інтегрування та зсув фази вторинних сигналів, можна отримати сигнали, пропорційні первінним. Для покращення точності, інтегрування та компенсація фази вимірюваних сигналів можуть бути досягнуті цифровими методами обробки сигналів. Але цифрова обробка має певну затримку і не може відображати первінні сигнали в реальному часі. Тому, цей метод обробки не підходить для сигналів захисту. Оскільки до сигналів захисту вимагається менша точність вимірювання, аналогові схеми можуть бути використані безпосередньо для підсилення, інтегрування та компенсації фази.
2.2 Структура датчика комбінованого електронного перетворювача
Комбінований електронний перетворювач упаковує одиницю вимірювання напруги та одиницю вимірювання струму в структуру, показану на рисунку 6, за допомогою вакуумного ліяння епоксидної смоли.
Котушка Роговського залита на провідний шинопровід. Після підсилення, вихідний сигнал котушки передається на вихідний термінал через сигналний провід. Оскільки підсилювач потребує подвійного живлення, три з багатожильних сигналних проводів використовуються для передачі живлення.
Оскільки через провідний стержень напружнівого перетворювача немає струму, і для збільшення відстані по поверхні, використовується конструкція, де провідний стержень і провідний шинопровід перпендикулярні один одному.
Оскільки датчик є активним, термін служби електронних компонентів сильно обмежує термін служби датчика комбінованого електронного перетворювача. Тому, всі компоненти повинні пройти процес відбору старінням перед використанням.
Для покращення співвідношення сигнал-шум, струмові та напружні сигнали підсилюються всередині датчика. Підсилювальна схема для струмового сигналу знаходиться на PCB котушці, а підсилювальна схема для напружнівого сигналу — на гнучкій платформі. Використовуються високоякісні приладові підсилювачі.
3 Випробування комбінованого електронного перетворювача
Відповідно до вищезазначених принципів та структури, а також стандартів IEC 60044-7 та IEC 60044-8, було розроблено прототип інтегрованого напружнівого/струмового електронного перетворювача 10 кВ/600 А. Для напружнівого перетворювача, точність вимірювання класу 0.5, а рівень захисту 3P; для струмового перетворювача, точність вимірювання класу 0.2, а точність захисту 5P20.
Під час випробувань, через електронний перетворювач пропускаються різні струми та прикладаються різні напруги. Вторинний вихід виводиться через цифровий порт. Після відображення на цифровому дисплеї, він порівнюється з еталонним струмовим та напружнівим перетворювачем. Його точність вимірювання відповідає проектним вимогам.
Одночасно, на прототип проводяться випробування на стійкість до мерехтючого напруги, часткові випробування, випробування на ударну вразливість та електромагнітну сумісність. Проходження цих випробувань свідчить про правильність проектного рішення.
4 Висновки
(1) Використання ділючого конденсатора, складеного з еквівалентних конденсаторів, та котушки Роговського, виготовленої з печатної платформи, як датчиків напруги та струму, має просту структуру, хорошу взаємозамінність продуктів та високу точність вимірювання.
(2) За допомогою технологій печатної платформи та гнучкої печатної платформи, підсилювальна схема може бути побудована всередині датчика, що покращує співвідношення сигнал-шум вимірюваних сигналів.
(3) Поєднання електронного напружнівого перетворювача та електронного струмового перетворювача в одну комбіновану напружніві-струмову систему не тільки зменшує вартість первінного обладнання, але й покращує точність та пропускну здатність вторинного контуру для напруги однієї лінії. Це задовольняє нові вимоги до вторинного вимірювання та захисту, а також відповідає концепції контролю сучасних електроенергетичних систем, яка базується на інтервалах комутаційного обладнання.
