UHV GIS電流変換器の一次検証回路の選択とパラメータ測定

UHV GISにおいて、電流変換器は電力計測の鍵となる要素です。その精度は電力取引の決済を決定するため、JJG1021 - 2007に基づく現場での誤差検証が必要となります。現場では、電源装置、電圧調整器、および電流ブースターを使用します。GISに封入されているため、露出した接地ナイフスイッチ、ブッシング、およびリターン導体を通じてテスト回路を構築します。適切な回路は配線を簡素化し、精度を向上させます。

大きな試験電流、長い回路、高インピーダンスなどの課題がありますが、反応補償（GIS一次回路の高いインダクティブリアクタンスを利用）により、設備容量の必要性が減少します。正確な一次回路パラメータの測定が補償の鍵となります。既存の方法はGIS一次回路には適していないため、本稿では：UHV GIS電流変換器の一回路構造/特徴を分類して検証回路を選択し、パラメータ測定の知能化/自動化を強化するための知的システムを開発します。

1 UHV GIS電流変換器の一次回路選択
1.1 構造と特徴

GISは変電所の一次機器（変圧器を除く）を8つのコンポーネント（例えば、CB、DSなど）に統合します。金属シェルに封入されたGISは以下の利点を提供します：SF₆)による小型化（スペース削減）、高い信頼性（密封された生体部品は環境や地震に耐える）、安全性（感電や火災のリスクなし）、優れた性能（EM/静電気からのシールド、干渉なし）、短時間設置（工場組み立てにより現場作業時間を短縮）、簡単なメンテナンスと長期間の点検（良好な構造、高度な消弧機能）。

1.2 回路選択

遮断器はGISパイプラインの中央に配置され、両側に電流変換器が設置されます。外部には分離器があり、保護のために接地スイッチが設けられています。パイプラインは(SF₆)を使用し、変換器はエポキシ樹脂半成形です。封入されているため、露出した接地スイッチ/ブッシングおよびリターン導体を使用します。4つのオプションがあります：遮断器の端にある接地スイッチ、GISパイプラインのシェル、大電流導体、または隣接するGISバスバーをリターンとして使用する。反応補償を解決した後、隣接するGISバスバー（安全、シンプル、操作可能）が現場検証に選ばれます。

2 GIS一次回路の知的測定システムに関する研究
2.1 パラメータ測定方法の分析

GIS一次回路には等価抵抗Rとインダクティブリアクタンス（Z_L)があります。従来の方法（Rを測定し、交流を適用し、複素インピーダンスZを計算し、次に(Z_L)を得る）は多くの装置、複雑な操作、重い計算が必要です。この論文では知的システムを開発します。主要な任務は：システム設計（部品のマッチング、プロセス計画）、信号収集の決定（電圧/電流のポイント、方法、回路）、電圧-電流位相差の計算方法の選択、線路パラメータの方法（振幅/位相差から等価抵抗/インダクティブリアクタンスを得る）、調和波/干渉を克服して精度を確保することです。

2.2 知的測定システムの全体設計

知的測定システムはマイクロコントローラベースのコンピューターシステムを中心に構成され、ボタン、ディスプレイ、プリンター、その他の周辺機器を備えています。電圧と電流の信号は信号収集システムによってキャプチャされ、フィルター、マルチプレクサスイッチ、自動信号ゲインアンプ、およびアナログ-デジタル（A/D）コンバーターを経て、マイクロコントローラーで信号処理されます。ハードウェアの原理は図1に示されています。

システムコンポーネント

• 信号収集システム：回路からの電圧と電流信号をキャプチャします。

• フィルター：干渉信号を除去します。

• マルチプレクサスイッチ：電圧と電流信号が一つのA/Dコンバーターを共有できるようにし、ハードウェアコストを削減します。

• 自動信号ゲインアンプ：信号強度に基づいて自動的に増幅を調整し、安定した出力を確保します。

• A/Dコンバーター：アナログ信号をデジタル形式に変換し、マイクロコントローラーでの処理を行います。

• ディスプレイ：直接読み取り可能なデジタル画面を使用してデータ表示を容易にします。

• ボタン：ユーザーフレンドリーなコントロールによりシステム操作を簡素化します。

• プリンター：必要に応じて測定結果を出力します。

動作プロセス

収集された信号は処理され、マイクロコントローラーに送られます。マイクロコントローラーは事前にインストールされた信号処理プログラムを実行します。システムは専用ソフトウェアでデータを分析し、結果を計算し、画面に表示します。

2.3 信号収集回路の設計

一次回路パラメータの測定には大電流は必要ありませんので、システムは200A出力の規制電源を使用します。電流ブースターを通過した後、ライン側の誘導電流はGISの定格電流よりも大幅に低くなり、大容量の設備の必要性が減少します。この設定により、GISのエンクロージャと接地スイッチの安全な動作範囲内に電流を保つことができます。

回路オプション

信号収集回路は、前述の3つのテスト回路（接地スイッチベースの回路を除く）のいずれかを採用することができます。接地スイッチベースの回路はGISライン全体をカバーしません。複数の方法を同時に使用することで測定精度を向上させることができます。テスト中、電圧変換器と電流変換器を設置して、高一次側値を取得システムが扱いやすい二次側信号に変換します。

隣接GISバスバーのリターン導体のための回路設計

隣接するGIS高電流バスバーをリターン導体として使用する場合：

• 電流ブースターのライン側に電圧変換器を並列に接続します。

• 電流ブースターのライン側とGIS入口ブッシングの間に電流変換器を直列に設置します。

• 二次側の電圧と電流信号を取得システムに供給します。

設計された信号収集回路は図2に示されています。収集された電圧と電流データは回路の総値に対応しています。

2.4 電圧と電流の位相差の計算方法の選択

この測定システムでは、ゼロクロス位相角法を使用して電圧と電流の位相差を測定します。ゼロクロス位相角法とは、収集された電圧と電流信号の基本波成分を方形波に整形し、微分回路を通じてそれぞれのゼロクロスパルスを得て、二つのパルス間の時間差を測定し、それから電圧と電流の位相差を計算する方法です。

電圧方形波の立ち上がりエッジの時間がτ₁、電流方形波の立ち上がりエッジの時間がτ₂であると仮定すると、二つの信号間の位相差 φ の計算式は以下の通りです。

ここで：Tは電圧と電流の周期です。電圧と電流の周波数が50 Hzであるため、その周期は0.02秒です。電圧と電流の位相差の計算式は以下のように簡略化できます。

2.5 線路パラメータの計算方法

これらの計算プロセスはマイクロコントローラーのメモリにプログラムされています。専用の信号処理ソフトウェアを使用してデータを自動的に処理し、結果はデバイスのモニターに表示されます。解析の便宜上、以下で述べられる電圧と電流は、デフォルトで一次側の電圧と電流に変換されているものとします。

信号収集システムによって収集された総線路電圧の振幅がUであり、線路電流の振幅がIであると仮定すると、次の式から総線路抵抗R₁とインダクタンスL₁を得ることができます。

GIS出線ブッシングのバスバー間の接続導体の比抵抗がρであり、有効断面積がsであり、導体の長さがlであると測定された場合、この接続導体のインピーダンス計算式は以下の通りです。

他の接続導体を無視すると、GISパイプラインの一次回路の等価抵抗Rと等価インダクタンスLは以下の式から得られます。

誤差制御と最適化

各測定方法は異なる間隔で3回繰り返すことで誤差を減らします。可能であれば、すべての3つの方法を同時に使用し、結果を比較します。

• 一貫した結果: 値を平均化します。

• 外れ値が1つ: 接続や配線の緩みを確認します。問題が続く場合は外れ値を除外します。

• 一貫しない結果: 干渉を再確認します。必要に応じて回路を修正し、理論的なパラメータに不一致が残る場合は修正します。

干渉と高調波を軽減するためには：

• 信号収集回路にハードウェアフィルターを設置します。

• FFTソフトウェアを使用して基本波成分を抽出し、計算を行います。

3. 結論

UHV GISは一次機器を密封された金属タンクに統合し、環境要因への耐性、高い信頼性、最小限のフットプリントを提供します。電流変換器の検証には、隣接するGISバスバーをリターン導体として使用することで配線が簡素化され、安全性が確保され、一次検出回路に理想的です。

本研究では、GIS一次回路のための知的測定システムを紹介し、等価抵抗とインダクタンスの正確な測定を可能にします。システムのユーザーフレンドリーなインターフェース、高精度、堅牢な干渉防止能力は、GIS検証における自動化を進歩させます。さらなるフィールドテストが推奨され、検証と改良が行われます。