Seleção do Circuito de Verificação Primária e Medição de Parâmetros para Transformadores de Corrente GIS UHV

Em GIS de UHV, os transformadores de corrente são fundamentais para a medição de energia elétrica. Sua precisão determina os acertos de comércio de energia, portanto, é necessário a verificação de erros no local conforme JJG1021-2007. No local, use fontes de alimentação, reguladores de tensão e impulsionadores de corrente. Devido ao encapsulamento em GIS, construa circuitos de teste via facas de aterramento expostas, isoladores e condutores de retorno; circuitos corretos simplificam o fiação e aumentam a precisão.

Desafios como grande corrente de teste, circuitos longos e alta impedância existem, mas a compensação reativa (aproveitando a reatância indutiva mais alta nos circuitos primários do GIS) reduz as necessidades de capacidade dos equipamentos. A medição precisa dos parâmetros do circuito primário é fundamental para a compensação. Métodos existentes não se adequam aos circuitos primários do GIS, então este artigo: classifica as estruturas e características dos circuitos primários dos transformadores de corrente de GIS para selecionar circuitos de verificação; desenvolve métodos inteligentes para melhorar a medição de parâmetros de forma inteligente e automatizada.

1 Seleção de Circuitos Primários para Transformadores de Corrente de GIS de UHV
1.1 Estrutura & Características

O GIS integra o equipamento primário da subestação (exceto transformadores) em oito componentes (por exemplo, CB, DS). Encapsulado em cascos metálicos, o GIS oferece: miniaturização (via SF₆), menos espaço); alta confiabilidade (partes vivas seladas resistem ao ambiente/terremotos); segurança (sem riscos de choque elétrico/incêndio); desempenho superior (escudos EM/estáticos, sem interferência); instalação curta (montagem em fábrica reduz o tempo no local); manutenção fácil e inspeção longa (boa estrutura, extinção de arco avançada).

1.2 Seleção de Circuitos

Os disjuntores estão no meio dos dutos do GIS, com transformadores de corrente em ambos os lados. Os desconectores estão fora, além de interruptores de aterramento para proteção. Os dutos usam SF₆, e os transformadores têm resina epóxi semi-fundida. Devido ao encapsulamento, use interruptores de aterramento expostos/isoladores + condutores de retorno. Existem quatro opções: interruptores de aterramento nas extremidades dos disjuntores, cascos de dutos do GIS, condutores de grande corrente ou barras adjacentes do GIS como retorno. Após resolver a compensação reativa, escolhe-se as barras adjacentes do GIS (seguro, simples, operável) para verificação no local.

2 Pesquisa sobre Sistemas Inteligentes de Medição de Circuitos Primários de GIS
2.1 Análise do Método de Medição de Parâmetros

Circuitos primários de GIS têm resistência equivalente R e reatância indutiva Z_L. Métodos convencionais (medir R, aplicar CA, calcular a impedância complexa Z e depois Z_L) requerem muitos dispositivos, operações complexas e cálculos pesados. Este artigo desenvolve sistemas inteligentes. Tarefas-chave: design do sistema (correspondência de componentes, planejamento de processos); determinar coleta de sinais (pontos, métodos, circuitos para tensão/corrente); encontrar cálculo de diferença de fase entre tensão-corrente; selecionar métodos de parâmetros de linha (a partir da amplitude/diferença de fase, obter resistência equivalente/reatância indutiva); superar harmônicos/interferências para precisão.

2.2 Design Geral do Sistema de Medição Inteligente

O sistema de medição inteligente é centrado em um sistema de computador baseado em microcontrolador, equipado com botões, display, impressora e outros periféricos. Os sinais de tensão e corrente são capturados pelo sistema de aquisição de sinais, então processados através de um filtro, switch multiplexador, amplificador automático de sinal e conversor analógico-digital (A/D) antes de chegar ao microcontrolador para processamento de sinal. O princípio do hardware é ilustrado na Figura 1.

Componentes do Sistema

• Sistema de Aquisição de Sinais: Captura sinais de tensão e corrente do circuito.

• Filtro: Elimina sinais de interferência.

• Switch Multiplexador: Permite que sinais de tensão e corrente compartilhem um único conversor A/D, reduzindo custos de hardware.

• Amplificador Automático de Ganho de Sinal: Ajusta automaticamente a amplificação com base na força do sinal para garantir uma saída estável.

• Conversor A/D: Transforma sinais analógicos em formato digital para processamento pelo microcontrolador.

• Display: Utiliza uma tela digital de leitura direta para visualização fácil dos dados.

• Botões: Simplifica a operação do sistema com controles amigáveis ao usuário.

• Impressora: Fornece resultados de medição sob demanda.

Processo Operacional

Os sinais adquiridos são processados e transmitidos ao microcontrolador, que executa programas de processamento de sinal pré-instalados. O sistema analisa os dados por meio de software dedicado, calcula os resultados e os exibe na tela.

2.3 Design do Circuito de Aquisição de Sinal

Dado que a medição dos parâmetros do circuito primário não requer grandes correntes, o sistema usa uma fonte de alimentação regulada com saída de 200A. Após passar por um impulsionador de corrente, a corrente induzida no lado da linha é significativamente menor que a corrente nominal do GIS, minimizando a necessidade de equipamentos de grande capacidade. Esta configuração mantém a corrente dentro do intervalo de operação seguro do invólucro do GIS e dos interruptores de aterramento.

Opções de Circuito

O circuito de aquisição de sinal pode adotar qualquer um dos três circuitos de teste discutidos anteriormente (excluindo o circuito baseado em interruptor de aterramento, que não cobre toda a linha do GIS). Usar vários métodos simultaneamente pode aumentar a precisão da medição. Durante o teste, transformadores de tensão e corrente são instalados para converter valores altos do lado primário em sinais gerenciáveis do lado secundário para o sistema de aquisição.

Design de Circuito para Condutor de Retorno de Barra Adjacente do GIS

Ao usar uma barra de alta corrente adjacente do GIS como condutor de retorno:

• Conecte um transformador de tensão em paralelo no lado da linha do impulsionador de corrente.

• Instale um transformador de corrente em série entre o lado da linha do impulsionador de corrente e um isolador de entrada do GIS.

• Alimente os sinais de tensão e corrente do lado secundário no sistema de aquisição.

O circuito de aquisição de sinal projetado é mostrado na Figura 2. Os dados de tensão e corrente coletados correspondem aos valores totais do circuito.

2.4 Seleção do Método de Cálculo da Diferença de Fase entre Tensão e Corrente

Este sistema de medição usa o método de ângulo de fase de atravessamento zero para medir a diferença de fase entre tensão e corrente. O chamado método de ângulo de fase de atravessamento zero é moldar as componentes de onda fundamental dos sinais de tensão e corrente coletados em ondas quadradas, obter seus respectivos pulsos de atravessamento zero por meio de um circuito diferencial, medir a diferença de tempo entre os dois pulsos e, em seguida, calcular a diferença de fase entre a tensão e a corrente.

Assuma que o tempo da borda de subida da onda quadrada de tensão seja τ₁ e o tempo da borda de subida da onda quadrada de corrente seja τ₂. Então, a fórmula de cálculo para a diferença de fase φ entre os dois sinais é a seguinte:

Entre eles: T é o período de tensão e corrente. Como a frequência de tensão e corrente é 50 Hz, seu período é 0,02 s. A fórmula de cálculo para a diferença de fase de tensão e corrente pode ser simplificada como:

2.5 Método de Cálculo dos Parâmetros de Linha

Esses processos de cálculo foram programados na memória do microcontrolador. Software especializado de processamento de sinal é usado para lidar automaticamente com os dados, e os resultados são exibidos no monitor do dispositivo. Para conveniência da análise, a tensão e a corrente mencionadas abaixo são consideradas, por padrão, convertidas para a tensão e corrente do lado primário.

Assuma que a amplitude da tensão total da linha coletada pelo sistema de aquisição de sinal seja U, e a amplitude da corrente da linha seja I. Então, a resistência total da linha R₁ e a indutância L₁ podem ser obtidas pelas seguintes fórmulas:

Se a resistividade do condutor de conexão entre as barras do isolador de saída do GIS for medida como ρ, a área efetiva da seção transversal for s, e o comprimento do condutor for medido como l, então a fórmula de cálculo da impedância deste condutor de conexão é a seguinte:

Negligenciando outros condutores de conexão, a resistência equivalente R e a indutância equivalente L do circuito primário do duto do GIS podem ser obtidas pelas seguintes fórmulas:

Controle e Otimização de Erros

Cada método de medição deve ser repetido 3 vezes em intervalos diferentes para reduzir erros. Se possível, use todos os 3 métodos simultaneamente e compare os resultados:

• Resultados consistentes: Faça a média dos valores.

• Um valor discrepante: Verifique conexões soltas ou erros de fiação; descarte o valor discrepante se os problemas persistirem.

• Resultados inconsistentes: Revise para interferências. Modifique o circuito, se necessário; revise os parâmetros teóricos se as discrepâncias persistirem.

Para mitigar interferências e harmônicas:

• Instale filtros de hardware no circuito de aquisição de sinal.

• Aplique software FFT para extrair componentes de onda fundamental para cálculo.

3. Conclusão

O GIS de UHV integra o equipamento primário em tanques metálicos selados, oferecendo imunidade a fatores ambientais, alta confiabilidade e mínima pegada. Para a verificação de transformadores de corrente, o uso de barras adjacentes do GIS como condutores de retorno simplifica a fiação e garante segurança, tornando-o ideal para circuitos de detecção primária.

Este estudo introduz um sistema de medição inteligente para circuitos primários de GIS, permitindo a medição precisa de resistência equivalente e indutância. A interface amigável, alta precisão e robustas capacidades anti-interferência do sistema avançam a automação na verificação de GIS. Recomenda-se testes de campo adicionais para validação e refinamento.