Tehnički izazovi i protumjere u kalibraciji DC elektroničkih strujnih transformatora

U modernim električnim sustavima, DC elektronički transformatori struje igraju ključnu ulogu. Koriste se ne samo za visokotocnu mjerenja struje, već i kao ključni alati za optimizaciju mreže, otkrivanje grešaka i upravljanje energijom. S brzim razvojem tehnologije prijenosa visokonaponske izravne struje (HVDC) i njenom širokom primjenom diljem svijeta, zahtjevi za performanse DC transformatora struje postaju sve stroži, posebno u pogledu točnosti mjerenja i kompatibilnosti s sustavom. Stoga je tehnologija kalibracije DC elektroničkih transformatora struje postala ključna za osiguranje sigurne, stabilne i učinkovite operacije električnih sustava.

1 Analiza tehnologije kalibracije DC elektroničkih transformatora struje
1.1 Osnovni principi kalibracije

Kalibracija DC elektroničkih transformatora struje temelji se na principu magnetno-moduliranog DC usporednika struje i optičko-čipove digitalne sinkronizacije. Međutim, magnetno-modulirani DC usporednik struje koristi magnetno-moduliranu tehnologiju za mjerenje magnituda DC struje. Ova tehnologija oslanja se na utjecaj magnetskog polja generiranog strujom na magnetska svojstva željeznog jezgra. U praktičnoj primjeni, kada struja prođe glavnim vodilom, magnetizira okružno željezno jezgro. Magnetizirano željezno jezgro utječe na struju u sekundarnom zavojnicu preko svojih promjena, a taj utjecaj može se koristiti kao temelj za mjerenje magnituda struje u glavnom vodilu.

1.2 Sastav kalibracijskog sustava

Kalibracijski sustav za DC elektroničke transformatore struje uglavnom se sastoji od DC izvora struje, povezivanja i sinkronizacije standardnog uređaja i ispitivanih uređaja, te jedinice visoke preciznosti za prikupljanje podataka. Dizajn i funkcija svake pojedine dijelove imaju odlučujući utjecaj na točnost i pouzdanost kalibracijskog procesa.

• DC izvor struje zadužen je za pružanje stabilne i podešive struje za kalibraciju. Njegov dizajn treba zadovoljavati zahtjeve za visokom stabilnošću i niskim oscilacijama izlaza kako bi simulirao performanse transformatora struje u različitim uvjetima struje. Da bi se postigla ta cilj, izvor struje obično koristi precizne komponente elektronike snage i zatvoreni petlji povratne kontrolne sustave za stvarno vrijeme podešavanje izlaza i održavanje stabilnosti struje. Čak i kada se opterećenje mijenja ili se napajanje fluktuira, može se osigurati točnost izlazne struje.

• Kada DC izvor struje pruža osnovnu struju, ispravno povezivanje i sinkronizacija standardnog uređaja i ispitivanih uređaja su ključni elementi za osiguranje točnosti rezultata kalibracije. Standardni uređaj obično je visoko precizan instrument certificiran državom, koji pruža vrijednost struje poznate točnosti kao referencu; ispitivani uređaj je transformator struje koji se testira. Tijekom kalibracijskog procesa, standardni uređaj i ispitivani uređaj moraju raditi u strogoj sinkronizaciji kako bi se osiguralo da su svi podaci mjerenja dobiveni pod istim radnim uvjetima.

1.3 Metode kalibracije

U kalibracijskom procesu DC elektroničkih transformatora struje, odabir metoda kalibracije ima odlučujući utjecaj na točnost i pouzdanost rezultata mjerenja. Kalibracija na terenu i laboratorijska kalibracija imaju svoje unikatne prednosti i nedostatke. Visoko precizna digitalna direktna metoda mjerenja pruža učinkovit način kalibracije. Metode kalibracije za analogni i digitalni izlaz specifično se prilagođavaju transformatorima struje različitih tipova izlaza kako bi se prilagodile različitim scenarijima primjene.

(1) Usparivanje kalibracije na terenu i laboratorijske kalibracije

Postoje značajne razlike između ta dva načina u pogledu metoda i okruženja:

• Kalibracija na terenu: Izvršava se direktno na lokaciji instalacije transformatora struje i može odraziti utjecaj okolišnih faktora poput temperature, vlage i elektromagnetske interferencije. Prikladna je za veliko opremu čija je lokacija instalacije teško pomjeriva ili čije se performanse moraju provjeriti. No, ako postoji mnogo nepovoljnih faktora na terenu i varijable okoliša ne mogu se efektivno kontrolirati, točnost kalibracije može biti utjecana.

• Laboratorijska kalibracija: Okruženje se može efektivno kontrolirati, a testni uvjeti se mogu precizno regulirati, što poboljšava ponavljivost i točnost kalibracije. No, laboratorijsko okruženje ne može potpuno simulirati radni scenarij na terenu, te je teško kompleksno analizirati utjecaj okruženja na terenu na performanse opreme.

(2) Visoko precizna digitalna direktna metoda mjerenja

Pomoću visoko precizne digitalne opreme za mjerenje, izlaz transformatora struje direktno se čita i uspoređuje s poznatom standardnom vrijednošću, tako da se rezultat kalibracije može dobiti brzo i učinkovito, smanjujući grešku u međuspojnima.

(3) Metode kalibracije za analogni i digitalni izlaz

Prednost ove metode leži u potpunom uzimanju u obzir karakteristika izlaza različitih tipova transformatora struje:

• Metoda analognog izlaza: Koristi se visoko precizan uređaj za mjerenje struje za čitanje iznosnog izlaza, a zatim se uspoređuje s standardnom vrijednošću za kalibraciju kako bi se osigurala točnost pretvorbe i mjerenja analognog signala.

• Metoda digitalnog izlaza: U kalibracijskom procesu, softver za analizu i tehnologija sinkronizacije kombiniraju se za prijenos i obradu podataka kako bi se osigurala točnost kalibracije koja odgovara zahtjevima, što je prikladno za kalibracijske potrebe transformatora struje s digitalnim izlazom.

2 Izazovi i protumjere u primjeni tehnologije kalibracije DC elektroničkih transformatora struje
2.1 Protuvrijednost na terenu

Pri primjeni kalibracije DC elektroničkih transformatora struje na terenu, javlja se ozbiljna elektromagnetska interferencija. Ona potječe od elektromagnetskog okruženja visokonaponske mreže, uključujući radijaciju od kabela/opreme i buku generiranu sustavom. Takva interferencija utječe na točnost mjerenja, uzrokujući odstupanja u podacima kalibracije u HVDC sustavima i čak oštećujući komponente. To donosi i trenutne greške i dugoročne probleme s stabilnošću i pouzdanosti.

Za rješavanje toga, ključno je optimizirati strukturu magnetske ekranizacije. Princip je korištenje materijala visoke permeabilnosti za izgradnju ekranirane slojeva oko osjetljivih dijelova, blokirajući vanjska magnetska polja. Pri dizajniranju, procijenite stvarno okruženje (tip, intenzitet i frekvencija interferencije) jer to utječe na učinkovitost ekranizacije. Slojevita struktura s više slojeva različite permeabilnosti bolje funkcionira. Na primjer, vanjski sloj koristi materijale visoke permeabilnosti za apsorbiranje većine magnetskih polja, a unutarnji sloj koristi materijale visokog otpora za blokiranje ostalih polja. Optimizirani podaci o dizajnu magnetske ekranizacije nalaze se u tablici 1.

2.2 Preciznost digitalne sinkronizacije

U kalibraciji DC elektroničkih transformatora struje, preciznost sinkronizacije je ključna. Kalibracija često zahtijeva sinkronizaciju više uređaja/izvora podataka na različitim lokacijama. Preciznost/relijanca podataka ovisi o vremenskoj sinkronizaciji; male odstupanja uzrokuju netočnosti, što utječe na učinkovitost/sigurnost električnih sustava. Odabir i optimizacija tehnologije sinkronizacije, te usporedba sinkronizacije putem optičkih vlakana i GPS-a su vitalni.

Pri odabiru i optimizaciji, izazov je kontrola složenih električnih okruženja i široko rasprostranjene geografske distribucije za točnu sinkronizaciju. U okruženjima s jakom interferencijom, tradicionalne metode ne uspijevaju. Rješenja uključuju uvođenje protokola IEEE1588 Precision Time Protocol i korištenje preciznog vremenskog označavanja/savremenih komunikacija za sinkronizaciju.

Sinkronizacija putem optičkih vlakana, s visokom brzinom i odpornosti na interferenciju, odgovara visokopreciznim scenarijima (npr., data centri). Ne utječe na elektromagnetsku interferenciju, osiguravajući čistoću signala, ali ima visoku cijenu implementacije. GPS sinkronizacija je ekonomična, pokriva široke područja i odgovara rasute mreže. Koristi satelitske signale za vremensko označavanje, ali je manje stabilna pod jakom interferencijom. Usporedba preciznosti sinkronizacije pod različitim interferencijama prikazana je na slici 1.

Za rješavanje ovih izazova, odaberite odgovarajuću tehnologiju sinkronizacije temeljeno na okruženju primjene i potrebama kalibracije. Prioritizirajte sinkronizaciju putem optičkih vlakana za niske EMI i visokoprecizne scenarije. Za geografski disperzne električne mreže, razmotrite GPS sinkronizaciju i optimizirajte položaj primača kako biste smanjili interferenciju signala. Kombiniranje oboje također povećava preciznost sinkronizacije i pouzdanost sustava.

3 Zaključak

U sklopu zaključka, provedba dubinskog istraživanja tehnologije kalibracije DC elektroničkih transformatora struje i njihove primjene, nije samo od velike važnosti za poboljšanje performansi i pouzdanosti transformatora struje, već je i ključni faktor u poticanju tehnoloških inovacija i održivog razvoja električnih sustava. U budućnosti, dok se nastavlja optimizirati tehnologiju kalibracije, treba pažljivo pratiti performanse tih tehnologija u praktičnoj primjeni kako bi se osiguralo da one mogu zadovoljiti visoke standarde modernih električnih mreža.