Kalibrointitekniikan haasteet ja vastatoimet DC-sähköisille virtasilmuksille

Nykyisissä sähköverkoissa DC-sähköiset virtasensorit ovat olennaisen tärkeitä. Niitä käytetään paitsi korkeatarkkuisessa virran mittaamisessa myös avaintyökaluina verkoston optimoinnissa, vianmäärityksessä ja energiahallinnassa. Korkean jänniteen suoravirtaliikenne (HVDC) -siirto-tekniikan nopeaan kehitykseen ja sen laajaan globaaliin käyttöön otettuna DC-virtasensorien suoritusvaatimukset ovat yhä tiukemmat, erityisesti mitattavuuden ja järjestelmäyhdistettävyyden osalta. Siksi DC-sähköisten virtasensorien kalibrointitekniikka on avain turvalliseen, vakaiseen ja tehokkaaseen sähköjärjestelmän toimintaan.

1 DC-sähköisten virtasensorien kalibrointitekniikan analyysi
1.1 Kalibroinnin periaatteet

DC-sähköisten virtasensorien kalibrointi perustuu magneettimoduloidun DC-virtakomparattorin ja valokuidun digitaalisen synkronointitekniikan periaatteisiin. Magneettimoduloidussa DC-virtakomparattorissa käytetään magneettimodulaatiotekniikkaa DC-virran mittaamiseen. Tämä teknologia perustuu siihen, kuinka virran aiheuttama magneettikenttä vaikuttaa rautaytimen magneettisiin ominaisuuksiin. Käytännössä, kun virta kulkee pääjohtimesta, se magnetisoitaa ympäröivää rautaytimpä. Magnetisoitu rautaytimi vaikuttaa toissijaiseen kierrokseen muutoksillaan, ja tätä vaikutusta voidaan käyttää pääjohtimen virran mittaamisen perusteena.

1.2 Kalibrointijärjestelmän koostuminen

DC-sähköisten virtasensorien kalibrointijärjestelmä koostuu pääasiassa DC-virtalähteestä, standardilaitteen ja testattavan laitteen yhdistyksestä ja synkronoinnin asettelusta sekä korkeatarkkuuden datan keräysyksiköstä. Jokaisen osan suunnittelu ja toiminto ovat ratkaisevia kalibrointiprosessin tarkkuuden ja luotettavuuden kannalta.

• DC-virtalähde vastaa vakauden ja säädettävyyden tarjoamisesta kalibrointia varten. Sen suunnittelun on täytettävä korkean vakauden ja alhaisen rippelevyisyyden vaatimukset, jotta voidaan simuloida virtasensorin toimintaa eri virratiloissa. Tavoitteen saavuttamiseksi virtalähde tyypillisesti käyttää tarkkuuspotentiaalisia elektronisia komponentteja ja suljettua palautuskytkentäohjausjärjestelmää reaaliaikaiseen ulostuloon säädettäväksi ja virtan vakauden ylläpitämiseksi. Vaikka kuormitus muuttuisikin tai sähköntarve vaihtelisikin, virtalähde voi taata ulostulojen tarkkuuden.

• Kun DC-virtalähde tarjoaa perusvirran, standardilaitteen ja testattavan laitteen oikea yhdistys ja synkronointi ovat keskeisiä linkkejä kalibrointitulosten tarkkuuden varmistamiseksi. Standardilaitteena on yleensä valtion sertifioima korkeatarkkuinen laite, joka tarjoaa tunnetta tarkkuudella varustetun virran arvon viitteeksi; testattavana laitteena on kalibroitava virtasensori. Kalibrointiprosessissa standardilaitteeseen ja testattavaan laitteeseen on toimittava tiiviissä synkronoinnissa, jotta kaikki mittausdatat saatetaan samojen toimintatilojen alla.

1.3 Kalibrointimenetelmät

DC-sähköisten virtasensorien kalibrointiprosessissa kalibrointimenetelmien valinta on ratkaiseva tekijä mittaus tulosten tarkkuuden ja luotettavuuden kannalta. Paikkakalibrointi ja laboratoriot kalibrointiillä on kummallakin omat etunsa ja haittansa. Korkeatarkkuinen digitaalinen suora mittausmenetelmä tarjoaa tehokkaan kalibrointikeinon. Analogisten ja digitaalisten ulostulojen kalibrointimenetelmät on erityisesti sopeutettu eri ulostulotyyppisiin virtasensoriin eri sovelluspaikkoihin sopivaksi.

(1) Vertailu paikkakalibroinnin ja laboratorion kalibroinnin välillä

Molemmilla on merkittäviä eroja menetelmistä ja ympäristöistä:

• Paikkakalibrointi: Se suoritetaan suoraan virtasensorin asennuspaikassa ja se voi heijastaa lämpötilan, kosteuden ja sähkömagneettisen häiriön kaltaisten ympäristötekijöiden vaikutuksen. Se on sopiva isoille laitteille, joiden asennuspaikkaa on vaikea siirtää tai jonka suorituskykyä on tarkistettava. Jos paikalla on paljon epäedullisia tekijöitä ja ympäristömuuttujia ei voida tehokkaasti hallita, kalibrointitarkkuus voi kärsiä.

• Laboratoriokalibrointi: Ympäristö voidaan tehokkaasti hallita, ja testiolosuhteet voidaan tarkasti säätää, mikä parantaa kalibroinnin toistettavuutta ja tarkkuutta. Kuitenkin laboratorioympäristö ei voi täysin simuloida paikkatyöskentelytapaa, ja on vaikea analysoida kokonaan paikkaympäristön vaikutusta laitteen suorituskykyyn.

(2) Korkeatarkkuinen digitaalinen suora mittausmenetelmä

Korkeatarkkuisten digitaalisten mittauslaitteiden avulla virtasensorin ulostulo luetetaan suoraan ja verrataan tunnettuihin standardiarvoihin, jolloin kalibrointitulos voidaan saada nopeasti ja tehokkaasti, ja välikappaleiden virheet vähenevät.

(3) Analogisten ja digitaalisten ulostulojen kalibrointimenetelmät

Tämän menetelmän etu on se, että se huomioi täysin eri tyyppisten virtasensorien ulostulomerkitykset:

• Analoginen ulostulomenetelmä: Korkeatarkkuinen virranmittauslaitteella luetetaan ulostuluarvo, ja sitä verrataan standardiarvoon kalibrointia varten, jotta analogisen signaalin muuntaminen ja mittaus voidaan varmistaa olevan tarkka.

• Digitaalinen ulostulomenetelmä: Kalibrointiprosessissa dataa siirretään ja käsitellään yhdistämällä analysointiohjelmisto ja synkronointitekniikka, jotta kalibrointitarkkuuden vaatimukset voidaan täyttää, mikä on sopiva digitaalista ulostuloa tarvitseville virtasensorien kalibrointitarpeisiin.

2 Haasteet ja vastatoimet DC-sähköisten virtasensorien kalibrointitekniikan soveltamisessa
2.1 Paikan päällä tapahtuva häiriökiinteyttäminen

Kun DC-sähköistä virtasensoria kalibroidaan paikan päällä, syntyy vakavaa sähkömagneettista häiriötä. Se johtuu korkeajänniteverkon sähkömagneettisesta ympäristöstä, mukaan lukien kaapelien/laitteiden säteily ja järjestelmän tuottama melu. Tällainen häiriö vaikuttaa mittaus tarkkuuteen, aiheuttaa kalibrointidatan poikkeamia HVDC-järjestelmissä ja voi jopa vahingoittaa komponentteja. Se aiheuttaa sekä välittömiä virheitä että pitkäaikaista vakautta ja luotettavuutta koskevia ongelmia.

Tämän torjumiseksi on avainasemassa magneettisen suojan rakenteen optimointi. Periaate on käyttää korkean permeabiliteetin materiaaleja herkkien osien ympärille rakennettuun suojakerrokseen, joka estää ulkopuoliset magneettikentät. Suunniteltaessa on arvioitava todellinen ympäristö (häiriötyyppi, voimakkuus, taajuus), sillä nämä vaikuttavat suojauksen tehokkuuteen. Monikerroksinen rakenne, jossa on useita eri permeabiliteetin materiaaleja, toimii paremmin. Esimerkiksi ulkerroksessa käytetään korkean permeabiliteetin materiaaleja absorboimaan enimmäkseen magneettikenttiä, ja sisäkerroksessa käytetään korkean vastuksen materiaaleja estämään jäännös kentät. Optimoidun magneettisen suojan suunnittelutiedot on taulukossa 1.

2.2 Digitaalinen synkronointitarkkuus

DC-sähköisten virtasensorien kalibroinnissa synkronointitarkkuus on kriittinen tekijä. Kalibroinnissa usein tarvitaan monien laitteiden/datasovellusten synkronointia eri paikoissa. Datan tarkkuus ja luotettavuus riippuvat ajansynkronoinnista; pienet poikkeamat aiheuttavat epätarkkuuksia, mikä vaikuttaa sähköjärjestelmän tehokkuuteen ja turvallisuuteen. Synkronointiteknologian valinta ja optimointi sekä optisen kaapelin (fiber) ja GPS-synkronoinnin vertailu ovat olennaisia.

Valinnassa ja optimoinnissa haaste on kontrolloida monimutkaisia sähköympäristöjä ja laajoja maantieteellisiä jakautumia tarkan synkronoinnin saavuttamiseksi. Vahvissa häiriöympäristöissä perinteiset menetelmät eivät toimi. Ratkaisuja ovat IEEE1588 Precision Time Protocolin käyttö ja tarkka aikamerkintä/nut yhteys modernissa kommunikaatiossa synkronoinniksi.

Optisen kaapelin synkronointi, jolla on nopea ja häiriöttömämpi ominaisuus, sopii korkeatarkkuuteen (esim. tietokeskuksiin). Se ei ole altis sähkömagneettiselle häiriölle, mikä takaa signaalin puhtauden, mutta sillä on korkeat käyttöönottokustannukset. GPS-synkronointi on kustannustehokas, kattaa laajan alueen ja soveltuu hajautettuihin verkkoihin. Se käyttää satelliittisignaaleja aikamerkintöihin, mutta on vähemmän vakaa vakavissa häiriöympäristöissä. Eri häiriöiden vaikutuksen synkronointitarkkuuteen vertailu on kuvassa 1.

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi on valittava sopiva synkronointiteknologia sovellusympäristön ja kalibrointitarpeiden mukaan. Priorisoi optinen kaapeli-synkronointi alhaiselle EMI:n ja korkealle tarkkuudelle. Hajautetuille sähköverkoille harkitse GPS-synkronointia ja optimoi vastaanottimen sijoitus vähentääksesi signaalinhäiriötä. Kumpaakin yhdistämällä lisätään synkronointitarkkuutta ja järjestelmän luotettavuutta.

3 Johtopäätökset

Lopuksi, syvällisen tutkimuksen toteuttaminen DC-sähköisten virtasensorien kalibrointitekniikasta ja niiden sovelluksista on suuri merkitys virtasensorien suorituskyvyn ja luotettavuuden parantamiselle, mutta myös avain tekijä sähköjärjestelmien teknologisen innovaation ja kestävän kehityksen edistämisessä. Tulevaisuudessa kalibrointitekniikan optimoinnin jatkamisen lisäksi on kiinnitettävä huomiota näiden teknologioiden suorituskykyyn käytännön sovelluksissa, jotta ne voivat vastata nykyaikaisiin sähköverkkoihin asetettuihin korkeisiin vaatimuksiin.