Badania nad niskonapięciowymi transformatorami prądowymi zabezpieczającymi przed prądem stałym oraz ich metodami wykrywania

1. Przegląd komponentów i problemów

TA (niskonapięciowe prądotransformatory) i liczniki energii elektrycznej są kluczowymi komponentami niskonapięciowego pomiaru energii elektrycznej. Prąd obciążenia takich liczników nie jest mniejszy niż 60A. Liczniki energii różnią się typem, modelem i odpornością na prąd stały, są połączone szeregowo w urządzeniu pomiarowym. Ze względu na brak odporności na prąd stały występują błędy pomiarowe pod obciążeniem zawierającym składową prądu stałego, zazwyczaj spowodowaną nieliniowymi obciążeniami. Z powodu rosnącego użycia sprzętu DC lub sterowanego silikonowymi tranzystorami, zwłaszcza w elektroenergetyce kolejowej i przemyśle tworzyw sztucznych, ryzyko związane ze składową prądu stałego wzrosło. Analiza niskonapięciowych prądotransformatorów odpornych na prąd stały oraz urządzeń detekcyjnych ma duże znaczenie dla rozwiązywania tego problemu.

2. Powody niedokładności TA spowodowane składową prądu stałego

Widespread bias DC w niskonapięciowych prądotransformatorach wynika z wpływu składowych prądu stałego na stronie pierwotnej. Teoretycznie, harmoniczne generowane przez prąd stały zakłócają transmisję pomiarową, a zmiany prądu pobudzającego rdzenia żelaznego nie prowadzą do odpowiednich zmian natężenia magnetycznego, co ostatecznie prowadzi do niedokładności TA. Używając testów półfalowych (32% składowej prądu stałego to prądy półfalowe), przenikalność magnetyczna maleje po cewce pierwotnej, co znacznie zwiększa błędy (przesunięte w kierunku ujemnym, zbliżając się do nasycenia). Przesunięcie cewki wtórnej powiększa zmiany kształtu fali. Testy pokazują, że prądy półfalowe powodują duże, geometrycznie rosnące błędy w tradycyjnych transformatorach; nawet małe składowe prądu stałego mogą wpłynąć na niskonapięciowe prądotransformatory odporne na prąd stały, powodując błędy przekraczające dopuszczalny zakres.

3. Badań i rozwoju niskonapięciowych prądotransformatorów odpornych na prąd stały

Tradycyjne niskonapięciowe transformatory używają pierścieniowych rdzeni magnetycznych (głównie amorficznych taśm, o wysokiej przenikalności magnetycznej, niskich współczynnikach nasycenia i niewrażliwych na składowe prądu stałego po stronie pierwotnej). Żelazne rdzenie amorficzne, choć nieco niższej przenikalności magnetycznej, są szeroko stosowane w transformatorach energetycznych ze względu na niskie straty żelazne. Mają silną początkową podatność magnetyczną i niską koercyjność, z doskonałą odpornością na prąd stały. Fale elektryczne z cewki wtórnej mogą przywrócić kształt prądu pierwotnego. Poprzez połączenie dopełniających się właściwości magnetycznych żelaznych rdzeni amorficznych i ultramikrokrystalicznych materiałów do formowania rdzeni złożonych, można poprawić dokładność pomiarową tradycyjnych niskonapięciowych prądotransformatorów odpornych na prąd stały.

4. Badania metod detekcji wydajności anty-DC

Istniejące niskonapięciowe prądotransformatory odporne na prąd stały mają ogólnie problem braku metod detekcji. Poprzednie standardy nie były standaryzowane i nie mogły być oceniane według jednolitych reguł i specyfikacji. Dlatego pilne jest opracowanie i optymalizacja metody detekcji wydajności anty-DC.

4.1 Porównanie energii elektrycznej

Po użyciu niskonapięciowego prądotransformatora, wewnętrzne właściwości licznika energii przemiennoprądowej ulegną zmianie, a proporcja parzystych harmonicznych również się zmieni. Aby przeprowadzić jasną ocenę, należy zastosować linię porównawczą energii elektrycznej z prostownikiem półfalowym. Przed testem, linię eksperymentalną metody porównawczej energii elektrycznej z prostownikiem półfalowym należy odpowiednio udoskonalić w oparciu o rzeczywistą sytuację, aby zapewnić zgodność z wydajnością anty-DC niskonapięciowego prądotransformatora, co zwiększa dokładność detekcji energii elektrycznej.

4.2 Samokalibracja 1/1

Schemat obwodowy wybrany do tego testu opiera się na danych JJ G1021-2007 "Regulamin weryfikacji transformatorów mocy", a szczegóły przedstawiono na Rysunku 1.

Aby zoptymalizować samokalibrację 1/1, eksperyment ponownie nawija cewkę wtórną z taką samą liczbą zwinięć jak testowany niskonapięciowy prądotransformator. To unika wprowadzania błędów ze strony transformatorów standardowych. Obwód mierzy prąd półfalowy i wyjaśnia błędy. Uwaga: prądotransformator w obwodzie używa stosunku 10/1, aby zwiększyć prąd weryfikatora, więc wartości testowe muszą być pomnożone przez 10, aby uzyskać dokładność.

Eksperymenty dowodzą skuteczności tej metody w wykrywaniu wydajności anty-DC, umożliwiając testowanie obwodu i samokalibrację, unikając błędów pomiarowych. Jednak przed pomiarem wymagana jest ponowna nawijka. Prąd i efektywność detekcji są odwrotnie proporcjonalne: im większy prąd, tym mniejsza efektywność, ale zwiększa się intensywność pracy. W związku z tym błąd złożony półfalowy DC nie może dokładnie odzwierciedlać indywidualnej wydajności anty-DC.

5. Weryfikacja testowa
5.1 Metoda testowa

Symulując kradzież energii elektrycznej przez użytkowników pieców elektrycznych za pomocą prądu półfalowego DC, test instaluje trzy różne urządzenia pomiarowe energii. Powtarzane porównania wyników wydajności pokazują, że liczniki energii z rezystorem manganinowym mają lepszą zdolność do odprowadzania prądu DC, spełniając potrzeby stabilności na miejscu.

5.2 Dane testowe

Adekwatna przygotowana, naukowe plany i weryfikacja miejsca przed testem są kluczowe. W trakcie 80-dniowej oceny energia jest wielokrotnie porównywana/obliczana, z szczegółowymi zapisami.Wyniki: Początkowe zwykłe transformatorowe liczniki pokazują 40,08% względnego błędu, który po 80 dniach wzrasta do 90,58%. Liczniki manganinowe utrzymują błędy ≤1% nawet w surowych warunkach, podczas gdy tradycyjne urządzenia z czasem przekraczają 90%. Wzmocnienie badań nad transformatorami anty-DC jest kluczowe dla potrzeb terenowych.

6. Podsumowanie

Nowy złożony rdzeń niskonapięciowego prądotransformatora odpornego na prąd stały dokonuje dokładnych pomiarów prądu, spełniając standardy nawet pod obciążeniem prądem stałym. W przeciwieństwie do tradycyjnych projektów, zachowuje znajome procesy nawijania i wlewkowe, co ułatwia jego promowanie. Transformatory oparte na standardzie DC-AC oferują dużą operacyjność, rozwiązując problemy śledzenia i zwiększając dokładność detekcji.