Tecnología de Calibración Desafíos y Soluciones para Transformadores Electrónicos de Corriente Directa

En los sistemas de energía modernos, los transformadores de corriente electrónicos en corriente directa (DC) juegan un papel crucial. No solo se utilizan para la medición de corriente de alta precisión, sino que también sirven como herramientas clave para la optimización de la red, la detección de fallas y la gestión de energía. Con el rápido desarrollo de la tecnología de transmisión de corriente directa de alta tensión (HVDC) y su implementación generalizada a nivel global, los requisitos de rendimiento para los transformadores de corriente DC se han vuelto cada vez más estrictos, especialmente en términos de precisión de medición y compatibilidad del sistema. Por lo tanto, la tecnología de calibración de los transformadores de corriente electrónicos DC se ha convertido en la clave para garantizar la operación segura, estable y eficiente de los sistemas de energía.

1 Análisis de la Tecnología de Calibración de Transformadores de Corriente Electrónicos DC
1.1 Principios Básicos de Calibración

El calibrado de los transformadores de corriente electrónicos DC se basa en el principio del comparador de corriente DC con modulación magnética y la tecnología de sincronización digital por fibra óptica. Entre ellos, el comparador de corriente DC con modulación magnética utiliza la tecnología de modulación magnética para medir la magnitud de la corriente DC. Esta tecnología se basa en la influencia del campo magnético generado por la corriente sobre las propiedades magnéticas del núcleo de hierro. En aplicaciones prácticas, cuando la corriente fluye a través del conductor principal, magnetiza el núcleo de hierro circundante. El núcleo de hierro magnetizado afecta la corriente en una bobina secundaria a través de sus cambios, y esta influencia puede usarse como base para medir la magnitud de la corriente en el conductor principal.

1.2 Composición del Sistema de Calibración

El sistema de calibración de los transformadores de corriente electrónicos DC está compuesto principalmente por una fuente de corriente DC, la conexión y configuración sincrónica del dispositivo estándar y el dispositivo bajo prueba, y una unidad de adquisición de datos de alta precisión. El diseño y la función de cada parte desempeñan un papel decisivo en la precisión y confiabilidad del proceso de calibración.

• La fuente de corriente DC es responsable de proporcionar una corriente estable y ajustable para la calibración. Su diseño debe cumplir con los requisitos de alta estabilidad y baja ondulación de salida para simular el rendimiento del transformador de corriente en diferentes condiciones de corriente. Para lograr este objetivo, la fuente de corriente generalmente adopta componentes electrónicos de potencia de alta precisión y un sistema de control de retroalimentación en bucle cerrado para ajustar la salida en tiempo real y mantener la estabilidad de la corriente. Incluso cuando cambia la carga o fluctúa el suministro de energía, puede garantizar la precisión de la corriente de salida.

• Cuando la fuente de corriente DC proporciona la corriente básica, la conexión correcta y la sincronización del dispositivo estándar y el dispositivo bajo prueba son eslabones clave para garantizar la precisión de los resultados de calibración. El dispositivo estándar es generalmente un instrumento de alta precisión certificado por el estado, que proporciona un valor de corriente con una precisión conocida como referencia; el dispositivo bajo prueba es el transformador de corriente a probar. Durante el proceso de calibración, el dispositivo estándar y el dispositivo bajo prueba deben operar en estricta sincronización para asegurar que todos los datos de medición se obtengan bajo las mismas condiciones de operación.

1.3 Métodos de Calibración

En el proceso de calibración de los transformadores de corriente electrónicos DC, la selección de los métodos de calibración juega un papel decisivo en la precisión y confiabilidad de los resultados de medición. La calibración en sitio y la calibración en laboratorio tienen ventajas y desventajas únicas. El método de medición digital directa de alta precisión proporciona un medio de calibración eficiente. Los métodos de calibración para salidas analógicas y digitales se ajustan específicamente para transformadores de corriente de diferentes tipos de salida para adaptarse a diversos escenarios de aplicación.

(1) Comparación entre la Calibración en Sitio y la Calibración en Laboratorio

Existen diferencias significativas entre ambos en términos de métodos y entornos:

• Calibración en Sitio: Se realiza directamente en el lugar de instalación del transformador de corriente y puede reflejar la influencia de factores ambientales como la temperatura, la humedad y la interferencia electromagnética. Es adecuado para equipos grandes cuya ubicación de instalación es difícil de mover o cuyo rendimiento necesita ser verificado. Sin embargo, si hay muchos factores desfavorables en el sitio y las variables ambientales no pueden controlarse efectivamente, la precisión de la calibración es probable que se vea afectada.

• Calibración en Laboratorio: El entorno puede controlarse eficazmente y las condiciones de prueba pueden regularse con precisión, lo que mejora la repetibilidad y precisión de la calibración. Sin embargo, el entorno de laboratorio no puede simular completamente el escenario de trabajo en el sitio, y es difícil analizar de manera integral el impacto del entorno en el rendimiento del equipo.

(2) Método de Medición Digital Directa de Alta Precisión

Con la ayuda de equipos de medición digital de alta precisión, se lee directamente la salida del transformador de corriente y se compara con el valor estándar conocido, lo que permite obtener el resultado de calibración de manera rápida y eficiente, reduciendo el error en los eslabones intermedios.

(3) Métodos de Calibración para Salidas Analógicas y Digitales

La ventaja de este método radica en considerar plenamente las características de salida de diferentes tipos de transformadores de corriente:

• Método de Salida Analógica: Se utiliza un instrumento de medición de corriente de alta precisión para leer el valor de salida, y luego se compara con el valor estándar para la calibración, asegurando la precisión de la conversión y medición de la señal analógica.

• Método de Salida Digital: En el proceso de calibración, se combinan software de análisis y tecnología de sincronización para la transmisión y procesamiento de datos, asegurando que la precisión de la calibración cumpla con los requisitos, lo cual es adecuado para las necesidades de calibración de transformadores de corriente con salida digital.

2 Desafíos y Soluciones en la Aplicación de la Tecnología de Calibración de Transformadores de Corriente Electrónicos DC
2.1 Anti-interferencia en Sitio

Al aplicar la calibración de transformadores de corriente electrónicos DC en sitio, surge una interferencia electromagnética severa. Proviene del entorno electromagnético de la red de alta tensión, incluyendo radiación de cables/equipos y ruido generado por el sistema. Esta interferencia afecta la precisión de la medición, causando desviaciones en los datos de calibración en sistemas HVDC e incluso dañando componentes. Trae tanto errores instantáneos como problemas de estabilidad y confiabilidad a largo plazo.

Para abordar esto, es clave optimizar la estructura de blindaje magnético. El principio consiste en usar materiales de alta permeabilidad para construir una capa de blindaje alrededor de las partes sensibles, bloqueando los campos magnéticos externos. Al diseñar, se evalúa el entorno real (tipo de interferencia, intensidad, frecuencia), ya que estos factores afectan la eficacia del blindaje. Una estructura laminada con múltiples capas de materiales de diferente permeabilidad funciona mejor. Por ejemplo, la capa exterior usa materiales de alta permeabilidad para absorber la mayoría de los campos magnéticos, y la capa interior usa materiales de alta resistividad para bloquear los campos residuales. Los datos del diseño de blindaje magnético optimizado se encuentran en la Tabla 1.

2.2 Precisión de Sincronización Digital

En la calibración de transformadores de corriente electrónicos DC, la precisión de sincronización es crítica. La calibración a menudo requiere sincronizar múltiples dispositivos/fuentes de datos en ubicaciones dispersas. La precisión y confiabilidad de los datos dependen de la sincronización temporal; pequeñas desviaciones causan inexactitudes, afectando la eficiencia y seguridad del sistema de energía. La selección y optimización de la tecnología de sincronización, así como la comparación entre la sincronización por fibra óptica y GPS, son vitales.

En la selección y optimización, el desafío es controlar los entornos de energía complejos y las distribuciones geográficas amplias para una sincronización precisa. En entornos de alta interferencia, los métodos tradicionales fallan. Las soluciones incluyen la introducción del Protocolo de Tiempo Preciso IEEE1588 y el uso de marcado de tiempo preciso y comunicación moderna para la sincronización.

La sincronización por fibra óptica, con alta velocidad y anti-interferencia, es adecuada para escenarios de alta precisión (por ejemplo, centros de datos). No se ve afectada por la interferencia electromagnética, asegurando la pureza de la señal, pero tiene costos de implementación altos. La sincronización por GPS es económica, cubre áreas extensas y se adapta a redes dispersas. Utiliza señales satelitales para marcas de tiempo, pero es menos estable bajo interferencia severa. La comparación de precisión de sincronización bajo diferentes interferencias se encuentra en la Figura 1.

Para abordar estos desafíos, se selecciona la tecnología de sincronización apropiada según el entorno de aplicación y las necesidades de calibración. Se prioriza la sincronización por fibra óptica para escenarios de baja EMI y alta precisión. Para redes de energía geográficamente dispersas, se considera la sincronización por GPS y se optimiza la colocación de los receptores para reducir la interferencia de la señal. Combinar ambas para agregar redundancia también aumenta la precisión de la sincronización y la confiabilidad del sistema.

3 Conclusión

En conclusión, al realizar una investigación profunda sobre la tecnología de calibración de transformadores de corriente electrónicos DC y sus aplicaciones, no solo es de gran importancia para mejorar el rendimiento y confiabilidad de los transformadores de corriente, sino que también es un factor clave para impulsar la innovación tecnológica y el desarrollo sostenible de los sistemas de energía. En el futuro, mientras se continúa optimizando la tecnología de calibración, también se debe prestar atención al rendimiento de estas tecnologías en aplicaciones prácticas para garantizar que puedan cumplir con los requisitos de alto estándar de las redes de energía modernas.