Измерване на тока с помощта на трансформатори за ток с нулев поток в газово изолирано комутационно устройство (GIS)

Разрастващата се сложност на електрическата мрежа, особено с интеграцията на устройства, базирани на силно-електроника, изисква измервателни техники, които могат да бъдат проследени. Тези са от ключово значение за точното установяване на високочестотните компоненти на високите електрически токове. При ненавредителното измерване както на алтернативни, така и на директни електрически токове, широко се използва магнитна свързаност в трансформаторите за ток.

Грешката на трансформатора за ток е в пряка връзка с намагничаването на неговия ядро. Тази вродена връзка естествено подтиква към разглеждане на методи за намаляване на този магнитен поток. Един от такива подходи е техниката на нулев поток. В тази техника се въвежда балансираща компенсираща тока, за да се индуцира нулев поток в магнитното ядро.

Трансформаторите за ток с нулев поток принадлежат към категорията на нискомощностните измервателни трансформатори (LPITs). LPITs предлагат множество предимства, включително по-малък размер, по-ниско енергопотребление, подобряване на безопасността, по-висока точност и подобрена надеждност на сигнала. С внедряването на цифрова комуникация в подстанциите в съответствие с IEC61850-9-2 стандарт, използването на LPITs в газово-изолираните подстанции (GIS) ще стане по-разпространено.

Обмотката за детекция е отговорна за засичане на магнитния поток в ядрото. Затворена система за управление, състояща се от усилвател и обмотка за обратна връзка, генерира вторичен ток. Този вторичен ток е проектиран, за да противодейства на потока, произлизащ от първичния ток, като по този начин се създава “Трансформатор за ток с нулев поток”. 

Вторичният ток после преминава през прецизен резистор за бреме, пораждащ напрегнатост, която е пропорционална на първичния ток. В тази конфигурация, магнитният материал на ядрото остава неутрилизиран, осигурявайки, че то не изпълнява хистерезис или се наситява. Обаче, при DC или ниско-честотни условия, механизът за анулиране на потока среща предизвикателства. Обмотката за детекция не може да измерва остатъчния поток при такива обстоятелства, и следователно, потокът не може да бъде ефективно анулиран. 

За справяне с измерванията на DC, се инкорпорира DC датчик за поток. Това може да бъде или Хол датчик, вграден в ядрото, или флукс-гейт схема, оборудвана с две допълнителни контролни и датчиращи обмотки. Предимства на трансформаторите за ток с нулев поток AC датчиците с нулев поток показват висока линейност и прецизност. Те са невпечатливи към характеристиките на магнитното ядро, което води до малък фазови грешки. Точността на тези датчици е главно определена от прецизността на резистора за бреме.

Добавянето на Хол датчик или флукс-гейт детектор позволява измерването на DC токове. Тези датчици са високо устойчиви към електромагнитна интерференция, осигурявайки надеждна работа в различни електромагнитни среди. Недостатъци на трансформаторите за ток с нулев поток Датчикът изисква външно захранване и усилвател, за да функционира. Нефункциониращ вторичен контур има потенциала да генерира опасни напрежения, представлявайки риск за безопасността. Пример за използване на трансформатор за ток с нулев поток в проекта Kii-Channel HVDC връзка за външна 500 kV DC GIS В проекта Kii-Channel се използват трансформатори за ток с нулев поток. 

Фигура 2 представя блок-схемата и техническите подробности на трансформатора за ток. Измерваният ток, (Ip), генерира магнитен поток, който е влияет от тока (Is) в вторичната обмотка ((Ns)).Три тороидни ядра, разположени в GIS отделение, се използват за засичане на потока. Ядрата (N1) и (N2) са предназначени за засичане на DC компонентите на остатъчния поток, докато (N3) е отговорно за откриване на AC компонента. Осцилатор подтиква двойката DC-сензорни ядра ((N1) и (N2)) към наситяване в противоположни посоки.

Ако остатъчният DC поток е нула, резултантните токови пики в двете посоки ще бъдат равни. Обаче, ако DC потокът не е нула, разликата между тези пики е пропорционална на остатъчния DC поток. Чрез комбиниране на AC компонента, засечен от (N3), се създава контролен контур. Този контур генерира вторичния ток (Is) по такъв начин, че да нулира общия поток. Усилвател за мощност доставя тока (Is) към вторичната обмотка (Ns). След това, вторичният ток се насочва към резистора за бреме, който преобразува тока в еквивалентен сигнал на напрежение. Точността на измерването е определена както от резистора за бреме, така и от стабилността на диференциалния усилвател.

Трансформаторите за ток с нулев поток са прецизни инструменти, предназначени за AC и AC/DC измервания. В момента те най-често се използват в високонапрегнати директни токови (HVDC) газово-изолирани подстанции (GIS). Принципът на измерване на AC трансформатор за ток с нулев поток е показан на Фигура 1.