Wyzwania technologii kalibracji i środki zaradcze dla prądowych transformatorów elektronicznych DC

W nowoczesnych systemach energetycznych, prądotransformatory elektroniczne z prądem stałym odgrywają kluczową rolę. Służą one nie tylko do precyzyjnego pomiaru prądu, ale także jako ważne narzędzia optymalizacji sieci, wykrywania uszkodzeń i zarządzania energią. Wraz z szybkim rozwojem technologii wysokiego napięcia z prądem stałym (HVDC) i jej szerokim wdrożeniem na całym świecie, wymagania dotyczące wydajności prądotransformatorów z prądem stałym stają się coraz bardziej rygorystyczne, zwłaszcza pod względem dokładności pomiarowej i kompatybilności systemowej. Dlatego technologia kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym stała się kluczem do zapewnienia bezpiecznej, stabilnej i efektywnej pracy systemów energetycznych.

1 Analiza technologii kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym
1.1 Podstawowe zasady kalibracji

Kalibracja prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym opiera się na zasadzie magnetycznego modulatora porównywacza prądu stałego i technologii cyfrowej synchronizacji światłowodowej. Wśród nich, magnetyczny modulator porównywacza prądu stałego używa technologii modulacji magnetycznej do pomiaru wartości prądu stałego. Ta technologia polega na wpływie pola magnetycznego generowanego przez prąd na właściwości magnetyczne rdzenia żelaznego. W praktyce, gdy prąd płynie przez główny przewód, magnesuje otaczający go rdzeń żelazny. Zmagnesowany rdzeń żelazny wpływa na prąd w cewce wtórnej poprzez swoje zmiany, a ten wpływ może być użyty jako podstawa do pomiaru wartości prądu w głównym przewodzie.

1.2 Skład systemu kalibracyjnego

System kalibracyjny dla prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym składa się głównie z źródła prądu stałego, połączenia i konfiguracji synchronicznej urządzenia wzorcowego i urządzenia poddanego badaniu, oraz jednostki akwizycji danych wysokiej precyzji. Projekt i funkcja każdej części mają decydujący wpływ na dokładność i niezawodność procesu kalibracji.

• Źródło prądu stałego jest odpowiedzialne za dostarczanie stabilnego i regulowanego prądu do kalibracji. Jego projekt musi spełniać wymagania dotyczące wysokiej stabilności i niskiej interferencji, aby symulować działanie prądotransformatora w różnych warunkach prądowych. Aby osiągnąć ten cel, źródło prądu zwykle wykorzystuje precyzyjne elementy elektroniczne mocy i system zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego, aby w czasie rzeczywistym dostosowywać wyjście i utrzymywać stabilność prądu. Nawet przy zmianie obciążenia lub fluktuacjach zasilania, gwarantuje to dokładność wyjściowego prądu.

• Gdy źródło prądu stałego dostarcza podstawowy prąd, prawidłowe połączenie i synchronizacja urządzenia wzorcowego i urządzenia poddanego badaniu są kluczowymi elementami zapewniającymi dokładność wyników kalibracji. Urządzenie wzorcowe jest zazwyczaj precyzyjnym instrumentem zatwierdzonym przez państwo, dostarczającym wartości prądu o znanej dokładności jako odniesienie; urządzeniem poddanym badaniu jest prądotransformator do sprawdzenia. W trakcie procesu kalibracji, urządzenie wzorcowe i urządzenie poddane badaniu muszą działać w ścisłej synchronizacji, aby upewnić się, że wszystkie dane pomiarowe są uzyskiwane w tych samych warunkach pracy.

1.3 Metody kalibracji

W procesie kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym, wybór metod kalibracji ma decydujące znaczenie dla dokładności i niezawodności wyników pomiarów. Kalibracja terenowa i laboratoryjna mają swoje unikalne zalety i wady. Metoda wysokiej precyzji cyfrowego pomiaru bezpośredniego oferuje skuteczne narzędzie do kalibracji. Metody kalibracji dla wyjść analogowych i cyfrowych są specjalnie dostosowane do prądotransformatorów różnych typów wyjściowych, aby dostosować się do różnych scenariuszy zastosowania.

(1) Porównanie kalibracji terenowej i laboratoryjnej

Istnieją istotne różnice między tymi dwoma metodami pod względem metod i środowisk:

• Kalibracja terenowa: Przeprowadzana bezpośrednio w miejscu montażu prądotransformatora, może odzwierciedlać wpływ czynników środowiskowych takich jak temperatura, wilgotność i zakłócenia elektromagnetyczne. Jest odpowiednia dla dużych urządzeń, których miejsce montażu jest trudne do przemieszczenia lub których wydajność wymaga weryfikacji. Jednakże, jeśli na terenie występuje wiele niekorzystnych czynników i zmienne środowiskowe nie mogą być skutecznie kontrolowane, dokładność kalibracji może być narażona na zakłócenia.

• Kalibracja laboratoryjna: Środowisko może być skutecznie kontrolowane, a warunki testowe mogą być dokładnie regulowane, co zwiększa powtarzalność i dokładność kalibracji. Jednakże, środowisko laboratoryjne nie może w pełni symulować sytuacji pracy na terenie, a trudno jest kompleksowo analizować wpływ środowiska terenowego na wydajność urządzenia.

(2) Metoda wysokiej precyzji cyfrowego pomiaru bezpośredniego

Z pomocą precyzyjnego cyfrowego sprzętu pomiarowego, wyjście prądotransformatora jest bezpośrednio odczytywane i porównywane ze znaną standardową wartością, co pozwala szybko i efektywnie uzyskać wynik kalibracji, redukując błędy w pośrednich etapach.

(3) Metody kalibracji dla wyjść analogowych i cyfrowych

Zaleta tej metody polega na pełnym uwzględnieniu charakterystyk wyjściowych różnych typów prądotransformatorów:

• Metoda wyjścia analogowego: Do odczytania wartości wyjściowej używa się precyzyjnego instrumentu pomiarowego prądu, a następnie porównuje ją ze standardową wartością do kalibracji, aby zagwarantować dokładność konwersji i pomiaru sygnału analogowego.

• Metoda wyjścia cyfrowego: W procesie kalibracji, łączy się oprogramowanie analityczne i technologię synchronizacji do transmisji i przetwarzania danych, aby zapewnić, że dokładność kalibracji spełnia wymagania, co jest odpowiednie dla potrzeb kalibracji prądotransformatorów z wyjściem cyfrowym.

2 Wyzwania i środki zaradcze w zastosowaniu technologii kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym
2.1 Ochrona przed zakłóceniami na terenie

Podczas stosowania kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym na terenie, występują silne zakłócenia elektromagnetyczne. Pochodzą one z elektromagnetycznego środowiska wysokiego napięcia, w tym promieniowania z kabli/urządzeń i szumów generowanych przez system. Takie zakłócenia wpływają na dokładność pomiaru, powodując odchylenia danych kalibracji w systemach HVDC, a nawet uszkadzając komponenty. Powodują zarówno natychmiastowe błędy, jak i długoterminowe problemy z stabilnością i niezawodnością.

Aby temu zaradzić, kluczowe jest optymalizacja struktury ekranu magnetycznego. Zasada polega na użyciu materiałów o wysokiej przejmności magnetycznej do budowy warstwy ekranującej wokół wrażliwych części, blokującej pola magnetyczne zewnętrzne. Przy projektowaniu należy ocenić rzeczywiste środowisko (typ, intensywność i częstotliwość zakłóceń), ponieważ te czynniki wpływają na skuteczność ekranowania. Warstwowa struktura z wieloma warstwami materiałów o różnej przejmności magnetycznej działa lepiej. Na przykład, zewnętrzna warstwa używa materiałów o wysokiej przejmności magnetycznej, aby absorbuować większość pól magnetycznych, a wewnętrzna warstwa używa materiałów o wysokiej rezystywności, aby blokować pozostałe pola. Zoptymalizowane dane projektowe ekranu magnetycznego są zawarte w Tabeli 1.

2.2 Precyzja synchronizacji cyfrowej

W kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym, precyzja synchronizacji jest kluczowa. Często wymagane jest synchronizowanie wielu urządzeń/zródeł danych w rozproszonych lokalizacjach. Dokładność i niezawodność danych zależy od synchronizacji czasowej; małe odchylenia powodują błędy, wpływające na wydajność i bezpieczeństwo systemu energetycznego. Wybór i optymalizacja technologii synchronizacji oraz porównanie synchronizacji światłowodowej i GPS są kluczowe.

Przy wyborze i optymalizacji, wyzwaniem jest kontrola skomplikowanych środowisk energetycznych i szerokiego rozłożenia geograficznego, aby zapewnić dokładną synchronizację. W silnie zakłócających środowiskach tradycyjne metody zawodzą. Rozwiązania obejmują wprowadzenie protokołu IEEE1588 Precision Time Protocol oraz użycie precyzyjnego oznaczania czasu i nowoczesnych środków komunikacji do synchronizacji.

Synchronizacja światłowodowa, o wysokiej prędkości i odporności na zakłócenia, nadaje się do scenariuszy wysokiej precyzji (np. centra danych). Jest ona niezależna od zakłóceń elektromagnetycznych, zapewniając czystość sygnału, ale ma wysokie koszty wdrożenia. Synchronizacja GPS jest ekonomiczna, pokrywa duże obszary i pasuje do rozproszonych sieci. Używa sygnałów satelitarnych do oznaczania czasu, ale jest mniej stabilna w silnych zakłóceniach. Porównanie precyzji synchronizacji w różnych zakłóceniach znajduje się na Rysunku 1.

Aby sprostać tym wyzwaniom, należy wybrać odpowiednią technologię synchronizacji, biorąc pod uwagę środowisko zastosowania i potrzeby kalibracji. Priorytetowo należy wybrać synchronizację światłowodową dla scenariuszy o niskim EMI i wysokiej precyzji. Dla geograficznie rozproszonych sieci energetycznych, należy rozważyć synchronizację GPS i zoptymalizować rozmieszczenie odbiorników, aby zredukować zakłócenia sygnału. Kombinacja obu technologii dodaje redundancję, co zwiększa precyzję synchronizacji i niezawodność systemu.

3 Podsumowanie

Podsumowując, prowadząc szczegółowe badania nad technologią kalibracji prądotransformatorów elektronicznych z prądem stałym i ich zastosowaniami, ma to ogromne znaczenie nie tylko dla poprawy wydajności i niezawodności prądotransformatorów, ale także stanowi kluczowy czynnik napędzający innowacje technologiczne i zrównoważony rozwój systemów energetycznych. W przyszłości, kontynuując optymalizację technologii kalibracji, należy również zwrócić uwagę na wydajność tych technologii w praktycznych zastosowaniach, aby zapewnić, że będą one mogły spełniać wysokie standardy współczesnych sieci energetycznych.