Měření proudu pomocí transformátorů proudu s nulovým tokem v plynově izolovaném spínacím zařízení (GIS)

Rostoucí komplexnost elektrické sítě, zejména s začleněním zařízení založených na elektronice pro energetiku, vyžaduje stopovatelné měřicí techniky. Ty jsou klíčové pro přesné určení vysokofrekvenčních složek vysokých elektrických proudů. Při neinvazivním měření jak střídavých, tak stejnosměrných elektrických proudů se široce používá magnetické spojení v proudech transformátorů.

Chyba proudu transformátoru je přímo spojena s magnetizací jeho jádra. Tato inerentní souvislost samozřejmě vedla k výzkumu metod snížení tohoto magnetického toku. Jednou z těchto metod je technika nulového toku. V této technice se zavádí vyvažující kompenzační proud, který indukuje nulový tok uvnitř magnetického jádra.

Proudové transformátory s nulovým tokem patří do kategorie Nízkovýkonových měřicích transformátorů (LPITs). LPITs nabízejí mnoho výhod, včetně menší velikosti, nižší spotřeby energie, zvýšené bezpečnosti, vyšší přesnosti a zlepšené spolehlivosti signálu. S implementací digitální komunikace v rozvodnách podle standardu IEC61850-9-2 bude využití LPITs v plynně izolovaných rozvodech (GIS) čím dál běžnější.

Detekční cívka je odpovědná za detekci magnetického toku uvnitř jádra. Uzavřený regulační systém, složený z zesilovače a zpětnovazební cívky, generuje sekundární proud. Tento sekundární proud je navržen tak, aby protiúčeloval toku vytvořenému primárním proudem, což vytváří “Nulový tok CT”. 

Tento sekundární proud pak prochází precizním zátěžovým odporem, generujícím napěťový signál, který je úměrný primárnímu proudu. V tomto nastavení zůstává magnetický materiál jádra nevybuzen, což zajišťuje, že nedochází ke hystereze nebo nasycení. Nicméně, při stejnosměrném nebo nízkofrekvenčním stavu mechanismus rušení toku čelí výzvám. Detekční cívka není schopna měřit reziduální tok v těchto podmínkách, a proto nelze efektivně zrušit tok. 

Pro měření stejnosměrného proudu se zahrnuje DC fluxový čidlo. Může to být buď Hallův čidlo zabudované do jádra, nebo flux-gate obvod vybavený dvěma dodatečnými kontrolními a detekčními cívkami.Výhody transformátorů s nulovým tokem AC nulové čidlo mají vysokou lineárnost a přesnost. Jsou imunní vůči vlastnostem magnetického jádra, což vede k malé fázové chybě. Přesnost těchto čidel je hlavně určena přesností zátěžového odporu.

Přidání Hallova čidlo nebo flux-gate detektoru umožňuje měření stejnosměrných proudů.Tato čidlo jsou velmi odolná vůči elektromagnetickému rušení, což zajišťuje spolehlivou operaci v různých elektromagnetických prostředích.Nevýhody transformátorů s nulovým tokem Čidlo vyžaduje externí zdroj napájení a zesilovač k fungování.Poškozený sekundární obvod má potenciál generovat nebezpečné napětí, což představuje bezpečnostní riziko.Příklad použití transformátoru s nulovým tokem v projektu Kii-Channel HVDC Link pro venkovní 500 kV DC GISV projektu Kii-Channel se využívají transformátory s nulovým tokem. 

Obrázek 2 prezentuje blokový diagram a hardwarové detaily transformátoru. Měřený proud (Ip) generuje magnetický tok, který je ovlivněn proudem (Is) ve sekundární cívce ((Ns)).Tři toroidální jádra, umístěná v oddílu GIS, slouží k detekci toku. Jádra (N1) a (N2) jsou určena k detekci DC složek zbývajícího toku, zatímco (N3) je zodpovědné za detekci AC složky. Oscilátor pohání páru DC-flux-senzorů ((N1) a (N2)) do nasycení v opačných směrech.

Pokud je zbývající DC tok nulový, výsledné vrcholy proudu v obou směrech budou stejné. Pokud je DC tok nenulový, rozdíl mezi těmito vrcholy je úměrný reziduálnímu DC toku. Spojením AC složky detekované (N3) se vytváří řídicí smyčka. Tato smyčka generuje sekundární proud (Is) tak, aby nulifikoval celkový tok. Zásuvný zesilovač poskytuje proud (Is) do sekundární cívky (Ns). Následně se sekundární proud vede do zátěžového odporu, který převede proud na ekvivalentní napěťový signál. Měřicí přesnost je určena zátěžovým odporem a stabilitou diferenciálního zesilovače.

Proudové transformátory s nulovým tokem jsou přesná měřicí přístroje navržené pro měření AC a AC/DC. V současné době se nejčastěji používají v vysokonapěťových přímoupravých systémech (HVDC) v plynně izolovaných rozvodech (GIS). Princip měření AC nulového toku je znázorněn na obrázku 1.