Tehnološki izzivi in protiukrepi za kalibracijo DC elektronskih tokovnih transformatorjev

V sodobnih električnih sistemih igrajo DC elektronski pretvorniki tokov ključno vlogo. Uporabljajo se ne le za meritve toka z visoko natančnostjo, ampak so tudi ključni orodji za optimizacijo omrežja, zaznavanje napak in upravljanje z energijo. S hitrim razvojem tehnologije prenosa visokonapetostne enosmerne struje (HVDC) in njeno široko uporabo po vsem svetu so zahtevi glede zmogljivosti DC pretvornikov tokov postale vse strožje, zlasti na področju merilne natančnosti in združljivosti s sistemom. Zato je kalibracijska tehnologija DC elektronskih pretvornikov tokov postala ključna za zagotavljanje varnega, stabilnega in učinkovitega delovanja električnih sistemov.

1 Analiza kalibracijske tehnologije DC elektronskih pretvornikov tokov
1.1 Osnovni principi kalibracije

Kalibracija DC elektronskih pretvornikov tokov temelji na principu magneto-modulacijskega DC tokovnega primerjalnika in optične vlaknine digitalne sinhronizacije. Med njimi uporablja magneto-modulacijska tehnologija merjenje velikosti enosmernega toka. Ta tehnologija se oslanja na vpliv magnetnega polja, ki ga generira tok, na magnetne lastnosti železnega jedra. V praksi, ko tok teče skozi glavno vodilo, magnetizira okoliško železno jedro. Magnetizirano železno jedro vpliva na tok v sekundarnem navojiču preko svojih sprememb, in ta vpliv se lahko uporabi kot osnova za merjenje velikosti toka v glavnem vodilu.

1.2 Sestava kalibracijskega sistema

Kalibracijski sistem za DC elektronske pretvornike tokov je predvsem sestavljen iz DC vira toka, povezave in sinhronizacije standardnega naprave in naprave, ki se kalibra, ter visoko natančnega enota za zajem podatkov. Načrtovanje in funkcionalnost vsakega dela igrajo odločilno vlogo pri natančnosti in zanesljivosti kalibracijskega procesa.

• DC vir toka je odgovoren za oskrbo z stabilnim in prilagodljivim tokom za kalibracijo. Njegov načrt mora ustrezati zahtevam visoke stabilnosti in nizkega ripple izhoda, da bi simuliral delovanje pretvornika toka v različnih tokovnih pogoji. Za dosego tega cilja vir toka običajno uporablja natančne komponente močne elektronike in zaprto zanko povratne kontrole, da prilagaja izhod v realnem času in ohranja stabilnost toka. Tudi, ko se spreminja breme ali se pojavi motnja v oskrbi z energijo, lahko zagotovi natančnost izhodnega toka.

• Ko DC vir toka zagotavlja osnovni tok, je pravilna povezava in sinhronizacija standardne naprave in naprave, ki se kalibra, ključni koraki za zagotavljanje natančnosti rezultatov kalibracije. Standardna naprava je običajno visoko natančen instrument, ki ga država certificira, in zagotavlja vrednost toka z znano natančnostjo kot referenca; naprava, ki se kalibra, je pretvornik toka, ki se testira. Med kalibracijskim procesom morata standardna naprava in naprava, ki se kalibra, delovati v strogi sinhronizaciji, da se zagotovi, da so vsi podatki pridobljeni pod istimi delovalnimi pogoji.

1.3 Kalibracijske metode

V kalibracijskem procesu DC elektronskih pretvornikov tokov odigra izbira kalibracijskih metod odločilno vlogo pri natančnosti in zanesljivosti rezultatov merjenja. Kalibracija na mestu in laboratorijska kalibracija imata vsaka svoje prednosti in slabosti. Visoko natančna digitalna neposredna metoda merjenja ponuja učinkovito sredstvo za kalibracijo. Kalibracijske metode za analogni in digitalni izhod so posebej prilagojene pretvornikom tokov z različnimi tipi izhoda, da se prilagodi različnim uporabniškim scenarijih.

(1) Primerjava med kalibracijo na mestu in laboratorijsko kalibracijo

Med dvema obstajajo bistvene razlike v metodo in okolju:

• Kalibracija na mestu: Izvaja se neposredno na lokaciji namestitve pretvornika toka in lahko odraža vpliv okoljskih dejavnikov, kot so temperatura, vlaga in elektromagnetno motnje. Ustreza velikim opremam, katerih lokacija namestitve je težko premakljiva ali katere zmogljivosti je potrebno preveriti. Vendar, če je na mestu veliko neugodnih dejavnikov in okoljske spremenljivke ni mogoče učinkovito kontrolirati, je verjetno, da bo natančnost kalibracije vpljena.

• Laboratorijska kalibracija: Okolje je mogoče učinkovito kontrolirati, in testni pogoji se lahko natančno regulirajo, kar izboljša ponovljivost in natančnost kalibracije. Vendar laboratorijsko okolje ne more popolnoma simulirati delovnega stanja na mestu, in je težko celovito analizirati vpliv okolja na zmogljivost opreme.

(2) Visoko natančna digitalna neposredna metoda merjenja

Z pomočjo visoko natančne digitalne opreme za merjenje se izhod pretvornika toka neposredno prebere in primerja z znano standardno vrednostjo, tako da se lahko rezultat kalibracije dobi hitro in učinkovito, zmanjšan pa je napaka v medsebniških vezah.

(3) Kalibracijske metode za analogni in digitalni izhod

Prednost te metode je v tem, da se popolnoma upoštevajo izhodne značilnosti različnih tipov pretvornikov tokov:

• Analogni izhodni način: Uporablja se visoko natančen instrument za merjenje toka, da se prebere izhodna vrednost, nato pa se primerja s standardno vrednostjo za kalibracijo, da se zagotovi natančnost pretvorbe in merjenja analognega signala.

• Digitalni izhodni način: V kalibracijskem procesu se kombinira programska oprema za analizo in sinhronizacijska tehnologija za prenos in obdelavo podatkov, da se zagotovi, da natančnost kalibracije ustrezata zahtevam, kar je primerno za kalibracijske potrebe pretvornikov tokov z digitalnim izhodom.

2 Izazovi in protiukrepi pri uporabi kalibracijske tehnologije DC elektronskih pretvornikov tokov
2.1 Protimotnja na mestu

Pri uporabi kalibracije DC elektronskih pretvornikov tokov na mestu nastane močna elektromagnetska motnja. To izvirja iz elektromagnetskega okolja visokonapetostnega omrežja, vključno z radiacijo od kabelov/opreme in sistemskega šuma. Takšna motnja vpliva na natančnost merjenja, kar povzroča odstopanja kalibracijskih podatkov v HVDC sistemih in celo poškoduje komponente. To prinaša hkrati trenutne napake in dolgoročne težave z stabilnostjo in zanesljivostjo.

Za reševanje tega je ključno optimizirati strukturo magnetskog ščitnega sistema. Principe temeljijo na uporabi materialov z visoko permeabilnostjo za gradnjo ščitne plasti okoli občutljivih delov, ki blokirajo zunanja magnetna polja. Pri načrtovanju ocenite dejansko okolje (vrsta, intenziteta in frekvenca motnje), saj to vpliva na učinkovitost ščitnega sistema. Slojena struktura z več slojevi materialov z različno permeabilnostjo deluje bolje. Na primer, zunanji sloj uporablja materiali z visoko permeabilnostjo, da absorbujejo večino magnetnih polj, notranji sloj pa uporablja materiali z visokim upornostjo, da blokirajo ostanki polj. Optimizirani podatki o dizajnu magnetskog ščitnega sistema so v Tabeli 1.

2.2 Natančnost digitalne sinhronizacije

V kalibraciji DC elektronskih pretvornikov tokov je ključna natančnost sinhronizacije. Kalibracija pogosto zahteva sinhronizacijo več naprav/viru podatkov na različnih lokacijah. Natančnost in zanesljivost podatkov sta odvisni od časovne sinhronizacije; majhne odstopanja povzročajo netočnosti, ki vplivajo na učinkovitost in varnost električnega sistema. Izbira in optimizacija sinhronizacijske tehnologije ter primerjava optične vlaknine in GPS sinhronizacije so ključne.

Pri izbiri in optimizaciji je izziv kontrola kompleksnih močnih okolij in širokogeografskih porazdelitev za točno sinhronizacijo. V močno motnem okolju tradicionalne metode ne uspevajo. Rešitve vključujejo uvedbo IEEE1588 Precision Time Protocol in uporabo natančnega označevanja časa in sodobne komunikacije za sinhronizacijo.

Sinhronizacija z optično vlakno, s svojo hitrostjo in odpornostjo na motnje, je primerna za visoko natančne situacije (npr. data centeri). Ni jo vplivala elektromagnetska motnja, kar zagotavlja čistost signala, vendar ima visoke stroške implementacije. GPS sinhronizacija je ekonomična, pokriva široka območja in se prilega razpršenim omrežjem. Uporablja satelitske signale za označevanje časa, vendar je manj stabilna v močno motnem okolju. Primerjava natančnosti sinhronizacije pod različnimi motnjami je na Sliki 1.

Za reševanje teh izzivov izberite ustrezno sinhronizacijsko tehnologijo glede na okolje uporabe in potrebe po kalibraciji. Prednost dajte sinhronizaciji z optično vlaknom za nizko EMI in visoko natančne situacije. Za geografsko razpršena močna omrežja upoštevajte GPS sinhronizacijo in optimizirajte postavitev prejemnikov, da zmanjšate motnje signala. Kombiniranje obeh za dodatno redundanco tudi poveča natančnost sinhronizacije in zanesljivost sistema.

3 Zaključek

Zaključno, s podrobno raziskavo kalibracijske tehnologije DC elektronskih pretvornikov tokov in njihove uporabe, je to ne le velik pomen za izboljšanje zmogljivosti in zanesljivosti pretvornikov tokov, ampak tudi ključni faktor za spodbujanje tehnološke inovacije in trajnostnega razvoja električnih sistemov. V prihodnosti, med nadaljnjim optimiranjem kalibracijske tehnologije, je treba posvetiti pozornost tudi zmogljivosti teh tehnologij v praktični uporabi, da se zagotovi, da bodo lahko izpolnili visoke standarde sodobnih električnih omrežij.