Leistungsaufbau und Prüfung von elektronischen Stromwandler

1 Leistungsvorteile

In den letzten Jahren haben elektronische Stromwandler (ECTs) als wichtiger Industrietrend an Bedeutung gewonnen. Die nationalen Standards klassifizieren sie in zwei Typen: Aktive optische Stromwandler (AOCTs, aktiver Hybridtyp) und optische Stromwandler (OCTs, passiver optischer Typ). Aktive hybride ECTs verwenden niedrigleistungselektrische Transformatoren und Rogowski-Spulen als Kernsensorbauteile (Abbildung 1).

Rogowski-Spulen überlegen es traditionellen Sensoren mit Nichtsättigung und weiten dynamischen Bereichen, was die Stromübertragungseffizienz steigert. Allerdings leiden sie unter geringer Störfestigkeit (anfällig für externe Magnetfelder, Temperatur/Feuchtigkeitsschwankungen) und Fehlerrisiken bei manueller/mehrlagiger Wicklung. Unter den elektromagnetischen ECTs fallen niedrigleistungsmodelle auf: reifetechnologisch, stabile Leistung, hohe Empfindlichkeit, für Massenproduktion bereit und breite Anwendung in Energieversorgungssystemen.

2 Struktur & Arbeitsprinzip
2.1 LPCT: Struktur & Funktion

LPCT (ein niedrigleistungselektrischer ECT) wird in GB/T 20840.8—2007 als ECT-Implementierung definiert. Als repräsentativer elektromagnetischer Wandler wächst die Leistung und technologische Reife von LPCT jährlich, was breite Anwendungen verspricht.

LPCT bietet Vorteile für Energieversorgungssysteme mit geringen sekundären Lasten und entspannten Messanforderungen. Durch die Verwendung von Materialien mit hoher Permeabilität (z.B. eisenbasierte nanokristalline Legierungen) erreicht es genaue Messungen mit kleinen Kernen.

Bestehend aus einem Abtastwiderstand Rs, einem elektromagnetischen Transformer und einer Signalübertragungseinheit, funktioniert das LPCT wie folgt: Der Primärstrom des Busstrangs wird in einen Sekundärstrom umgewandelt, der vom Abtastwiderstand in ein Spannungssignal proportional zum Primärstrom transformiert wird. Eine doppelt abgeschirmte Drehdrahtübertragungseinheit sendet dieses Signal an ein Intelligentes Elektronisches Gerät (IED), wobei während der Übertragung externe elektromagnetische Störungen abgeschirmt werden.

2.2 Struktur und Arbeitsprinzip der Rogowski-Spulen

Rogowski-Spulen übertreffen andere AC-Strommessmethoden durch Vorteile wie exzellente Linearität, weite Frequenzbänder, keinen Eisenkern, geringe Kosten, geringes Gewicht und einfache Installation/Wartung. Entscheidend ist, dass sie Hysterese und Sättigung vermeiden, was breite und genaue Messungen sicherstellt.

Häufig werden weiche Drähte eng um nichtmagnetische Skelette (siehe Abbildung 2) gewickelt, um Spulen zu bilden. Basierend auf dem Ampèreschen Gesetz ist das Integral der magnetischen Feldstärke H entlang eines geschlossenen Konturs gleich dem eingeschlossenen Strom. In der Praxis ist jedoch eine präzise und gleichmäßige Wicklung (für konstante Querschnitte) schwer zu erreichen, was die Stabilität einschränkt.

Um dies zu beheben, sollten die Spulen den Systemanforderungen angepasst werden. Zum Beispiel können PCB-basierte Designs mit Computer/IT-Tools für eine gleichmäßige Drahtanordnung und digitale Querschnittsverarbeitung verwendet werden. Die Gegenreihe-Wicklung zweier Spulen kann elektromagnetische Störungen reduzieren, indem Längsmagnetfelder ausgeglichen werden, was die Spannungs-Ausgabe und Genauigkeit erhöht.

Verbesserte PCB-Rogowski-Spulen überwinden traditionelle Mängel (z.B. geringe Störfestigkeit, ungenaue Messungen). Mit einfacheren Strukturen, wissenschaftlichen Designs und präziser Herstellung sind sie ideal für die Förderung in Energieversorgungssystemen.

3 Test der Temperaturkoeffizienten des Abtastwiderstands und des internen Widerstands der Rogowski-Spule
3.1 Test des Temperaturkoeffizienten des Abtastwiderstands des LPCT

In der Praxis führen ungleichmäßige Material Eigenschaften/Prozesse zu Widerstandsabweichungen, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Der Widerstand ändert sich auch mit der Temperatur, was erhebliche Auswirkungen auf die Verhältnisfehler des Stromwandlers hat.

Fazit: Die Widerstands Werte der PCB-Rogowski-Spule und des Abtastwiderstands des LPCT variieren mit der Temperatur, was Sicherheitsrisiken für Energieversorgungssysteme darstellt. Daher sollten die Auswirkungen der Temperatur auf PCB-Rogowski-Spulen wissenschaftlich getestet und Abtastwiderstände geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Transformatoren den Anforderungen an Design und Betriebstabilität gerecht werden.

3.2 Test des Widerstandsdrifts und des Verhältnisfehlers der Rogowski-Spule

Bediener simulieren Temperaturumgebungen, führen PCB-Rogowski-Spulen bei verschiedenen Temperaturen durch, erfassen Datenänderungen, analysieren Temperaturauswirkungen und optimieren Designs, um die Effizienz zu verbessern.

Dieser Test bewertet die Leistung und Eignung der PCB-Rogowski-Spule für Energieversorgungssysteme. Mit einem temperaturkonstanten Schrank und einem LCR-Tester: Platziere die Spule im Schrank und nutze LCR/Elektronik-Stromtestsysteme, um Widerstandsdrift und Verhältnisfehler zu messen, wodurch valide Daten durch kontrollierte Temperaturbedingungen (z.B. -50 °C, 250 °C, 450 °C) gewährleistet werden.

Nachtestanalyse: Der interne Widerstand der PCB ist temperaturabhängig, aber die Temperatur beeinflusst Winkel- und Verhältnisfehler minimal – was den Schutz des Energieversorgungssystems sicherstellt.

4 Fazit

Stromwandler sind entscheidend für den Schutz und die Messung von Energieversorgungssystemen. Ihre Leistung beeinflusst direkt die Stabilität des Systems und die Stromversorgung der Nutzer. Daher sollte die Forschung an 10 kV-elektronischen Stromwandlern verstärkt werden, um das gesunde Wachstum der chinesischen Energieindustrie zu unterstützen.