Технологические вызовы и меры по калибровке преобразователей постоянного электрического тока

В современных энергетических системах электронные трансформаторы постоянного тока играют важную роль. Они используются не только для высокоточного измерения тока, но и как ключевые инструменты для оптимизации сети, обнаружения неисправностей и управления энергией. С быстрым развитием технологии передачи высоковольтного постоянного тока (HVDC) и ее широкого распространения по всему миру, требования к производительности трансформаторов постоянного тока стали все более строгими, особенно в отношении точности измерений и совместимости системы. Поэтому технология калибровки электронных трансформаторов постоянного тока стала ключевым фактором, обеспечивающим безопасную, стабильную и эффективную работу энергетических систем.

1 Анализ технологии калибровки электронных трансформаторов постоянного тока
1.1 Основные принципы калибровки

Калибровка электронных трансформаторов постоянного тока основана на принципе магнитно-модулируемого компаратора постоянного тока и технологии цифровой синхронизации по оптоволокну. В частности, магнитно-модулируемый компаратор постоянного тока использует магнитно-модулирующую технологию для измерения величины постоянного тока. Эта технология основана на влиянии магнитного поля, создаваемого током, на магнитные свойства железного сердечника. В практических приложениях, когда ток проходит через основной проводник, он намагничивает окружающий железный сердечник. Намагниченный сердечник влияет на ток во вторичной обмотке через свои изменения, и это влияние можно использовать в качестве основы для измерения величины тока в основном проводнике.

1.2 Состав калибровочной системы

Система калибровки электронных трансформаторов постоянного тока состоит главным образом из источника постоянного тока, подключения и синхронизации эталонного устройства и устройства, подлежащего испытанию, а также высокоточного блока сбора данных. Дизайн и функции каждой части играют решающую роль в точности и надежности процесса калибровки.

• Источник постоянного тока отвечает за предоставление стабильного и регулируемого тока для калибровки. Его дизайн должен соответствовать требованиям высокой стабильности и низкого уровня пульсаций выходного сигнала, чтобы имитировать работу трансформатора при различных условиях тока. Для достижения этой цели источник тока обычно использует прецизионные силовые электронные компоненты и замкнутую систему обратной связи для реального времени корректировки выхода и поддержания стабильности тока. Даже при изменении нагрузки или колебаниях питания он может обеспечивать точность выходного тока.

• Когда источник постоянного тока предоставляет базовый ток, правильное подключение и синхронизация эталонного устройства и устройства, подлежащего испытанию, являются ключевыми этапами, обеспечивающими точность результатов калибровки. Эталонное устройство обычно является высокоточным прибором, сертифицированным государством, предоставляющим значение тока с известной точностью в качестве эталона; устройство, подлежащее испытанию, — это трансформатор, который нужно протестировать. Во время процесса калибровки эталонное устройство и устройство, подлежащее испытанию, должны работать в строгой синхронизации, чтобы гарантировать, что все данные измерений получены при одинаковых условиях работы.

1.3 Методы калибровки

При калибровке электронных трансформаторов постоянного тока выбор методов калибровки играет решающую роль в точности и надежности результатов измерений. Полевые и лабораторные методы калибровки имеют свои уникальные преимущества и недостатки. Высокоточный цифровой метод прямого измерения предоставляет эффективное средство калибровки. Методы калибровки для аналоговых и цифровых выходов специально адаптированы для трансформаторов с различными типами выходов, чтобы соответствовать различным сценариям применения.

(1) Сравнение полевой и лабораторной калибровки

Между ними существуют значительные различия в методах и условиях:

• Полевая калибровка: проводится непосредственно на месте установки трансформатора и может отражать влияние таких факторов окружающей среды, как температура, влажность и электромагнитные помехи. Она подходит для крупного оборудования, чье местоположение трудно переместить, или чья производительность должна быть проверена. Однако, если на месте существует множество неблагоприятных факторов и переменные окружающей среды не могут быть эффективно контролированы, точность калибровки может быть затронута.

• Лабораторная калибровка: условия окружающей среды могут быть эффективно контролированы, и тестовые условия могут быть точно регулироваться, что улучшает повторяемость и точность калибровки. Однако лабораторная среда не может полностью воспроизвести рабочие условия на месте, и сложно всесторонне анализировать влияние условий на месте на производительность оборудования.

(2) Высокоточный цифровой метод прямого измерения

С помощью высокоточных цифровых измерительных приборов выход трансформатора напрямую считывается и сравнивается с известным стандартным значением, что позволяет быстро и эффективно получить результат калибровки, сокращая ошибки в промежуточных звеньях.

(3) Методы калибровки для аналоговых и цифровых выходов

Преимущество этого метода заключается в учете характеристик выхода различных типов трансформаторов:

• Метод аналогового выхода: используется высокоточный измерительный прибор для считывания значения выхода, которое затем сравнивается со стандартным значением для калибровки, чтобы обеспечить точность преобразования и измерения аналогового сигнала.

• Метод цифрового выхода: в процессе калибровки используется комбинация аналитического программного обеспечения и технологии синхронизации для передачи и обработки данных, чтобы обеспечить, что точность калибровки соответствует требованиям, что подходит для калибровки трансформаторов с цифровым выходом.

2 Проблемы и контрмеры при применении технологии калибровки электронных трансформаторов постоянного тока
2.1 Защита от помех на месте

При проведении калибровки электронных трансформаторов постоянного тока на месте возникают серьезные электромагнитные помехи. Они исходят из электромагнитной среды высоковольтной сети, включая излучение от кабелей/оборудования и шум, генерируемый системой. Такие помехи влияют на точность измерений, вызывая отклонения в данных калибровки в системах HVDC и даже повреждая компоненты. Это приводит как к немедленным ошибкам, так и к долгосрочным проблемам стабильности и надежности.

Для решения этой проблемы ключевым является оптимизация магнитного экрана. Принцип заключается в использовании материалов с высокой проницаемостью для создания экрана вокруг чувствительных частей, блокирующего внешние магнитные поля. При проектировании необходимо оценивать фактическую среду (тип, интенсивность и частоту помех), так как эти факторы влияют на эффективность экранирования. Лучше работает многослойная структура с материалами разной проницаемости. Например, внешний слой использует материалы с высокой проницаемостью, чтобы поглотить большую часть магнитных полей, а внутренний слой — материалы с высоким удельным сопротивлением, чтобы заблокировать остаточные поля. Оптимизированные данные по дизайну магнитного экранирования представлены в таблице 1.

2.2 Точность цифровой синхронизации

В калибровке электронных трансформаторов постоянного тока точность синхронизации критически важна. Часто требуется синхронизация нескольких устройств и источников данных, расположенных в разных местах. Точность и надежность данных зависят от временной синхронизации; малейшие отклонения приводят к неточностям, влияющим на эффективность и безопасность энергетической системы. Выбор и оптимизация технологий синхронизации, а также сравнение оптоволоконной и GPS-синхронизации, имеют первостепенное значение.

При выборе и оптимизации задача заключается в управлении сложными энергетическими средами и широким географическим распределением для точной синхронизации. В условиях сильных помех традиционные методы оказываются неэффективными. Решения включают внедрение протокола точного времени IEEE1588 и использование точного маркирования времени и современных средств связи для синхронизации.

Оптоволоконная синхронизация, характеризующаяся высокой скоростью и защитой от помех, подходит для высокоточных сценариев (например, для дата-центров). Она не подвержена электромагнитным помехам, обеспечивая чистоту сигнала, но имеет высокие затраты на развертывание. GPS-синхронизация экономически эффективна, охватывает большие территории и подходит для рассеянных сетей. Она использует спутниковые сигналы для меток времени, но менее стабильна в условиях сильных помех. Сравнение точности синхронизации при различных помехах показано на рисунке 1.

Для решения этих проблем следует выбирать подходящую технологию синхронизации в зависимости от условий применения и требований к калибровке. Для сценариев с низким уровнем электромагнитных помех и высокой точностью следует отдавать предпочтение оптоволоконной синхронизации. Для географически распределенных энергетических сетей следует рассматривать GPS-синхронизацию и оптимизировать размещение приемников для снижения воздействия сигнала. Комбинирование обоих методов также увеличивает точность синхронизации и надежность системы.

3 Заключение

Таким образом, глубокое исследование технологии калибровки электронных трансформаторов постоянного тока и их применений имеет большое значение не только для улучшения производительности и надежности трансформаторов, но и является ключевым фактором, способствующим технологическому инновационному и устойчивому развитию энергетических систем. В будущем, продолжая оптимизацию технологии калибровки, следует также обращать внимание на производительность этих технологий в практическом применении, чтобы обеспечить, что они соответствуют высоким стандартам современных энергетических сетей.