Výzvy a protiopatření technologie kalibrace pro elektronické proudové transformátory DC

V moderních elektrických systémech hrají transformátory elektronického stejnosměrného proudu klíčovou roli. Jsou používány nejen pro měření proudu s vysokou přesností, ale také jako důležité nástroje pro optimalizaci sítě, detekci poruch a řízení energie. S rychlým rozvojem technologie vysokého napětí přímého proudu (HVDC) a jejím širokým nasazením po celém světě se požadavky na výkon transformátorů elektronického stejnosměrného proudu stávají stále přísnějšími, zejména co se týče přesnosti měření a kompatibility systému. Proto se technologie kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu stala klíčem k zajištění bezpečné, stabilní a efektivní operace elektrických systémů.

1 Analýza technologie kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu
1.1 Základní principy kalibrace

Kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu je založena na principu magneticko-modulačního DC porovnávače proudů a optické vlákenní digitální synchronizace. Mezi nimi magneticko-modulační DC porovnávač proudů používá magneticko-modulační technologii k měření velikosti stejnosměrného proudu. Tato technologie využívá vliv magnetického pole generovaného proudem na magnetické vlastnosti železného jádra. V praxi, kdy proud protéká hlavním vodičem, magnetizuje okolní železné jádro. Magnetizované železné jádro ovlivňuje proud v sekundárním cívečku prostřednictvím svých změn, a tento vliv lze použít jako základ pro měření velikosti proudu v hlavním vodiči.

1.2 Složení kalibračního systému

Kalibrační systém transformátorů elektronického stejnosměrného proudu se skládá především z zdroje stejnosměrného proudu, propojení a synchronizace standardního zařízení a zařízení podléhající testu, a vysoce přesné jednotky sběru dat. Návrh a funkce každé části mají rozhodující vliv na přesnost a spolehlivost kalibračního procesu.

• Zdroj stejnosměrného proudu je odpovědný za poskytování stabilního a nastavitelného proudu pro kalibraci. Jeho návrh musí splňovat požadavky na vysokou stabilitu a nízkou vlnivost výstupu, aby simuloval výkon transformátoru při různých stavích proudu. K dosažení tohoto cíle zdroj proudu obvykle používá přesné elektronické součástky a uzavřenou smyčku zpětné vazby k reálnému času úpravě výstupu a udržení stability proudu. I když se zatěžování mění nebo dochází k fluktuacím napájecího zdroje, může být zajištěna přesnost výstupního proudu.

• Když zdroj stejnosměrného proudu poskytuje základní proud, správné propojení a synchronizace standardního zařízení a zařízení podléhající testu jsou klíčovémi prvky pro zajištění přesnosti výsledků kalibrace. Standardní zařízení je obvykle vysoko přesný přístroj certifikovaný státem, který poskytuje hodnotu proudu s známou přesností jako referenci; zařízení podléhající testu je transformátor, který se má otestovat. Během kalibračního procesu musí být standardní zařízení a zařízení podléhající testu provozovány v přísné synchronizaci, aby bylo zajištěno, že všechna měřená data jsou získána ve stejných pracovních podmínkách.

1.3 Kalibrační metody

Při kalibraci transformátorů elektronického stejnosměrného proudu hraje výběr kalibračních metod rozhodující roli v přesnosti a spolehlivosti měřených výsledků. Kalibrace na místě a laboratorní kalibrace mají každá své unikátní výhody a nevýhody. Vysoko přesná digitální přímá měřicí metoda poskytuje efektivní prostředek pro kalibraci. Kalibrační metody pro analogové a digitální výstupy jsou specificky upraveny pro transformátory s různými typy výstupů, aby se přizpůsobily různým scénářům použití.

(1) Srovnání kalibrace na místě a laboratorní kalibrace

Existují značné rozdíly mezi těmito dvěma metodami a jejich prostředí:

• Kalibrace na místě: Provést se může přímo na instalovaném místě transformátoru a může odrazit vliv environmentálních faktorů, jako jsou teplota, vlhkost a elektromagnetické rušení. Je vhodná pro velké zařízení, jehož instalované místo je obtížné přemístit nebo jehož výkon je třeba ověřit. Pokud však na místě existuje mnoho nepříznivých faktorů a environmentální proměnné nelze efektivně ovládat, může být přesnost kalibrace ovlivněna.

• Laboratorní kalibrace: Prostředí lze efektivně ovládat a testovací podmínky lze přesně regulovat, což zlepšuje opakovatelnost a přesnost kalibrace. Laboratorní prostředí však nemůže kompletně simulovat pracovní situaci na místě a je obtížné komplexně analyzovat vliv prostředí na místě na výkon zařízení.

(2) Vysoko přesná digitální přímá měřicí metoda

S pomocí vysoko přesného digitálního měřicího zařízení se výstup transformátoru přečte přímo a porovná s známou standardní hodnotou, což umožňuje rychlé a efektivní získání výsledků kalibrace a snižuje chybu v mezilehlých článcích.

(3) Kalibrační metody pro analogové a digitální výstupy

Výhoda této metody spočívá v plném zohlednění výstupních charakteristik různých typů transformátorů:

• Analogová výstupní metoda: Používá se vysoko přesný přístroj pro měření proudu k přečtení výstupní hodnoty, která se poté porovnává s standardní hodnotou pro kalibraci, aby byla zajištěna přesnost konverze a měření analogového signálu.

• Digitální výstupní metoda: Při kalibračním procesu se kombinují analytické software a synchronizační technologie pro přenos a zpracování dat, aby byla zajištěna přesnost kalibrace splňující požadavky, což je vhodné pro kalibrační potřeby transformátorů s digitálním výstupem.

2 Výzvy a protiopatření při aplikaci technologie kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu
2.1 Odolnost proti rušení na místě

Při aplikaci kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu na místě vzniká závažné elektromagnetické rušení. Pochází z elektromagnetického prostředí vysokého napětí, včetně radiace z kabelů/zařízení a systémového šumu. Toto rušení ovlivňuje přesnost měření, způsobuje odchylky kalibračních dat v systémech HVDC a dokonce může poškozovat komponenty. Způsobuje jak okamžité chyby, tak i dlouhodobé problémy se stabilitou a spolehlivostí.

Pro řešení tohoto problému je klíčové optimalizovat strukturu magnetického štítu. Princip spočívá v použití materiálů s vysokou permeabilitou k vytvoření štítu kolem citlivých částí, který blokuje externí magnetické pole. Při návrhu je třeba posoudit skutečné prostředí (typ, intenzitu a frekvenci rušení), protože tyto faktory ovlivňují efektivitu štítu. Laminovaná struktura s více vrstvami materiálů s různou permeabilitou funguje lépe. Například vnější vrstva používá materiály s vysokou permeabilitou k absorpci většiny magnetických polí, a vnitřní vrstva používá materiály s vysokou rezistivitou k blokování zbylých polí. Optimalizovaná data o magnetickém štitu jsou uvedena v tabulce 1.

2.2 Přesnost digitální synchronizace

Při kalibraci transformátorů elektronického stejnosměrného proudu je kritická přesnost synchronizace. Kalibrace často vyžaduje synchronizaci několika zařízení/zdrojů dat v různých umístěních. Přesnost a spolehlivost dat závisí na časové synchronizaci; malé odchylky způsobují nepřesnosti, což ovlivňuje efektivitu a bezpečnost elektrického systému. Vybrání a optimalizace technologií synchronizace a srovnání optického vlákna a GPS synchronizace jsou klíčové.

Při výběru a optimalizaci je výzvou kontrola složitých energetických prostředí a široké geografické distribuce pro přesnou synchronizaci. V prostředí s vysokým rušením selhávají tradiční metody. Řešení zahrnují zavedení protokolu IEEE1588 Precision Time Protocol a použití přesného časového razítka a moderní komunikace pro synchronizaci.

Optická vlákenní synchronizace, s vysokou rychlostí a odolností proti rušení, je vhodná pro scénáře s vysokou přesností (např. data centra). Je nereaktivní na elektromagnetické rušení, což zajišťuje čistotu signálu, ale má vysoké náklady na nasazení. GPS synchronizace je nákladově efektivní, pokrývá široké oblasti a je vhodná pro rozprostřené sítě. Používá satelitní signály pro časové razítko, ale je méně stabilní v prostředí s vysokým rušením. Srovnání přesnosti synchronizace pod různými rušeními je uvedeno na obrázku 1.

Pro řešení těchto výzev je třeba vybrat vhodnou technologii synchronizace na základě aplikačního prostředí a potřeb kalibrace. Pro scénáře s nízkým EMI a vysokou přesností dává přednost optické vláknové synchronizaci. Pro geograficky rozprostřené elektrické sítě zvažte GPS synchronizaci a optimalizujte umístění přijímačů, aby se snížilo rušení signálu. Kombinace obou metod pro zvýšení redundance také zlepší přesnost synchronizace a spolehlivost systému.

3 Závěr

Závěrem, hlubokým výzkumem technologie kalibrace transformátorů elektronického stejnosměrného proudu a jejich aplikací, je nejen velký význam pro zlepšení výkonu a spolehlivosti transformátorů, ale také klíčovým faktorem pro podporu technologické inovace a udržitelného rozvoje elektrických systémů. V budoucnu, když budeme nadále optimalizovat technologii kalibrace, je třeba také dbát na výkon těchto technologií v praktických aplikacích, aby splňovaly vysoké standardy moderních elektrických sítí.