Nguyên lý Đo Lường Thành phần và Kiểm tra của Máy biến áp Điện tử Kết hợp
1 Nguyên lý đo lường của biến áp điện tử kết hợp
1.1 Nguyên lý đo điện áp
Biến áp điện tử đo điện áp bằng phương pháp phân chia điện áp dung. Do điện áp trên tụ điện không thể thay đổi đột ngột, điện áp thứ cấp thu được trực tiếp thông qua phân chia điện áp dung có phản ứng tức thời kém và độ chính xác đo thấp. Để cải thiện độ chính xác đo, một điện trở lấy mẫu chính xác được mắc song song với tụ điện áp thấp. Nguyên lý của nó được thể hiện trong Hình 1.
Trong Hình 1, dưới điều kiện
Điện áp đầu ra của tụ phân chia điện áp tỷ lệ thuận với đạo hàm theo thời gian của điện áp được đo. Bằng cách thêm một liên kết tích phân, điện áp sơ cấp có thể được đo.
Trong Hình 1, do phần lớn điện áp giảm xảy ra trên C1, có yêu cầu rất cao về cách điện cho tụ điện C1. Trong các biến áp điện từ, thường sử dụng tụ điện công suất, trong khi đó, trong các biến áp điện tử, không sử dụng tụ điện công suất mà thay vào đó là các tụ điện tương đương.
Cấu trúc của tụ phân chia điện áp là một xy-lanh làm bằng vật liệu cách điện được bọc quanh một thanh dẫn điện. Sau đó, một bảng mạch linh hoạt hai lớp được gắn bên ngoài xy-lanh. Điện trở chính xác là điện trở chip được gắn lên lớp ngoài của bảng mạch linh hoạt. Sơ đồ cấu trúc của tụ phân chia điện áp được thể hiện trong Hình 2.
Dung lượng của C1 được tạo thành bởi xy-lanh bên trong. Thanh dẫn điện tương đương với một tấm điện cực, và màng đồng bên trong của bảng mạch linh hoạt tương đương với tấm điện cực khác, với vật liệu cách điện là môi trường điện. Dung lượng của C2 được tạo thành bởi xy-lanh bên ngoài. Màng đồng hai mặt của bảng mạch linh hoạt hai lớp tương đương với các tấm điện cực, và chất nền của bảng mạch linh hoạt, như polyimide, đóng vai trò là môi trường điện. Hình cắt ngang theo hướng kính của nó được thể hiện trong Hình 3. Dung lượng tương đương C có thể được tính bằng công thức.
Trong công thức: r1 là bán kính trong của xy-lanh; r2 là bán kính ngoài của xy-lanh; H là chiều dài của bảng mạch in linh hoạt; εr là độ thẩm thấu điện tương đối của điện giải; ε0 là độ thẩm thấu điện của chân không.
1.2 Nguyên lý đo dòng điện
Biến áp điện tử sử dụng cuộn Rogowski để đo dòng điện. Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra thứ cấp và dòng điện đầu vào sơ cấp là như sau:
Trong công thức, M là một hằng số không phụ thuộc vào vị trí của dòng điện được đo. Điện áp đầu ra của cuộn Rogowski tỷ lệ thuận với đạo hàm của dòng điện được đo. Do đó, bằng cách thêm một liên kết tích phân sau đầu ra của cuộn Rogowski, dòng điện được đo có thể được khôi phục.
Trong dự án này, cuộn Rogowski là cuộn Rogowski được làm bằng bảng mạch in. Độ nhạy, độ chính xác đo, ổn định hiệu suất, khả năng hoán đổi sản phẩm và hiệu quả sản xuất của nó đều vượt trội so với các cuộn dây truyền thống.
Để giảm nhiễu từ trường phụ trợ và cải thiện độ chính xác đo, cuộn Rogowski làm bằng bảng mạch in thường sử dụng hai cuộn nối tiếp để tạo thành đầu vào sai phân. Hướng quấn của hai cuộn PCB này khác nhau. Một cuộn quấn theo quy tắc tay phải, và cuộn còn lại quấn theo quy tắc tay trái. Theo cách này, hai điện áp cảm ứng có cực tính ngược nhau được tạo ra, và điện áp đầu ra của sự nối tiếp là gấp đôi so với một cuộn Rogowski đơn, như được thể hiện trong Hình 4.
1.2 Nguyên lý đo dòng điện (tiếp theo)
Do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau của màng đồng và nền PCB, chúng có mức biến dạng khác nhau khi nhiệt độ thay đổi. Để giảm lỗi do biến dạng và ngăn chặn sự gãy màng đồng, các cuộn PCB được chế tạo trải qua quá trình lão hóa nhiệt. Quá trình này, mặt khác, giải phóng căng thẳng nội bộ của cuộn dây để giảm thiểu lỗi và mặt khác, nhằm sàng lọc cuộn dây.
Mặc dù cuộn Rogowski với đầu ra sai phân có khả năng ức chế chế độ chung mạnh, nhiễu từ trường 10 kV vẫn còn đáng kể. Do đó, cần bọc cuộn Rogowski bằng giấy đồng và nối đất giấy đồng.
2 Nguyên lý cấu tạo của biến áp điện tử kết hợp
2.1 Sơ đồ khối của biến áp điện tử kết hợp
Sơ đồ khối của biến áp điện tử kết hợp được thể hiện trong Hình 5. Điện áp sơ cấp và dòng điện được chuyển đổi thành tín hiệu thứ cấp bằng tụ điện và cuộn Rogowski. Bằng cách tích phân và dịch pha tín hiệu thứ cấp, có thể thu được tín hiệu tỷ lệ với tín hiệu sơ cấp. Để cải thiện độ chính xác, tích phân và bù pha của tín hiệu đo có thể đạt được thông qua phương pháp xử lý tín hiệu số. Tuy nhiên, xử lý tín hiệu số có độ trễ nhất định và không thể phản ánh tín hiệu sơ cấp theo thời gian thực. Do đó, phương pháp xử lý này không phù hợp cho tín hiệu bảo vệ. Do tín hiệu bảo vệ có yêu cầu về độ chính xác đo thấp hơn, các mạch tương tự có thể được sử dụng trực tiếp để khuếch đại, tích phân và bù pha.
2.2 Cấu trúc đầu cảm biến của biến áp điện tử kết hợp
Biến áp điện tử kết hợp bao gồm đơn vị đo điện áp và đơn vị đo dòng điện được bọc bằng nhựa epoxy đổ khuôn chân không, như được thể hiện trong Hình 6.
Cuộn Rogowski được đúc lên thanh bus dẫn dòng. Sau khi được khuếch đại, tín hiệu đầu ra của cuộn được gửi đến đầu ra thông qua đường tín hiệu. Do ampli yêu cầu nguồn điện kép, 3 trong số các đường tín hiệu đa lõi được sử dụng để truyền tải nguồn.
Vì không có dòng điện chảy qua thanh dẫn điện của biến áp điện áp, và để tăng khoảng cách rò rỉ, cấu trúc với thanh dẫn điện và thanh bus dẫn dòng vuông góc với nhau được sử dụng.
Vì đầu cảm biến là loại chủ động, tuổi thọ của các linh kiện điện tử nghiêm trọng hạn chế tuổi thọ của đầu cảm biến biến áp điện tử. Do đó, tất cả các linh kiện phải trải qua quá trình sàng lọc lão hóa trước khi sử dụng.
Để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu, tín hiệu dòng điện và điện áp được khuếch đại bên trong đầu cảm biến. Mạch khuếch đại cho tín hiệu dòng điện nằm trên cuộn PCB, và mạch khuếch đại cho tín hiệu điện áp nằm trên bảng mạch linh hoạt. Các ampli hiệu suất cao được sử dụng cho các ampli.
3 Kiểm tra biến áp điện tử kết hợp
Theo các nguyên lý và cấu trúc đã đề cập, cũng như các tiêu chuẩn IEC 60044 - 7 và IEC 60044 - 8, một nguyên mẫu biến áp điện tử kết hợp 10 kV/600 A đã được thiết kế. Đối với biến áp điện áp, độ chính xác đo là Lớp 0.5, và mức bảo vệ là 3P; đối với biến áp dòng điện, độ chính xác đo là Lớp 0.2, và độ chính xác bảo vệ là 5P20.
Trong quá trình kiểm tra, các dòng điện khác nhau được đưa qua biến áp điện tử và các điện áp khác nhau được áp dụng. Đầu ra thứ cấp được xuất qua cổng số. Sau khi được hiển thị bởi đơn vị hiển thị số, nó được so sánh với biến áp dòng điện tham chiếu và biến áp điện áp tham chiếu. Độ chính xác đo của nó đáp ứng yêu cầu thiết kế.
Cùng lúc, các thử nghiệm chịu điện áp tần số công nghiệp, xả cục bộ, xung sét và tương thích điện từ được tiến hành trên nguyên mẫu. Việc vượt qua các thử nghiệm này cho thấy sự chính xác của phương án thiết kế.
4 Kết luận
(1) Sử dụng tụ phân chia điện áp được tạo thành từ các tụ điện tương đương và cuộn Rogowski được làm bằng bảng mạch in làm các cảm biến điện áp và dòng điện, nó có cấu trúc đơn giản, khả năng hoán đổi sản phẩm tốt và độ chính xác đo cao.
(2) Bằng cách sử dụng công nghệ bảng mạch in và bảng mạch in linh hoạt, mạch khuếch đại có thể được xây dựng bên trong đầu cảm biến, cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu đo.
(3) Kết hợp biến áp điện tử điện áp và biến áp điện tử dòng điện thành một để tạo thành biến áp điện tử kết hợp có thể không chỉ giảm chi phí của thiết bị sơ cấp mà còn cải thiện độ chính xác và công suất của mạch thứ cấp cho điện áp của một đường dây. Nó đáp ứng các yêu cầu mới về đo lường và bảo vệ thứ cấp và cũng phù hợp với khái niệm kiểm soát hệ thống điện hiện đại lấy các khoảng cách thiết bị đóng cắt làm đơn vị.
