Strøm måling ved nul-flux strømtransformatorer i gasisolerede switchgear (GIS)

Den øgede kompleksitet i strømnettet, især med integrationen af effekt-elektronikbaserede enheder, gør det nødvendigt at bruge sporbar måleteknikker. Disse er afgørende for at præcist fastslå de højfrekvente komponenter i høje elektriske strømme. Ved ikke-invasiv måling af både AC- og DC-strøm anvendes magnetisk kobling i strømtransformatorer omfattende.

Fejlen i en strømtransformator er direkte relateret til magnetiseringen af dens kerne. Denne indbyggede forbindelse fremmer naturligvis udforskningen af metoder til at reducere denne magnetiske flux. En sådan metode er nul-flux-teknikken. I denne teknik indføres en balancerende kompenserende strøm for at inducere nul-flux i den magnetiske kerne.

Nul-flux-strømtransformatorer hører til kategorien Low-Power Instrument Transformers (LPITs). LPITs tilbyder mange fordele, herunder mindre størrelse, lavere energiforbrug, forbedret sikkerhed, højere præcision og forbedret signalstabilitet. Med implementeringen af digital kommunikation i understations i overensstemmelse med IEC61850-9-2 standard, er brugen af LPITs i Gas-isolerede Understations (GIS) sat til at blive mere almindelig.

En detectionsvinding er ansvarlig for at registrere den magnetiske flux i kernen. Et lukket sløjfe-kontrolsystem, bestående af en forstærker og en feedback-vinding, genererer en sekundær strøm. Denne sekundære strøm er designet til at neutralisere fluxen produceret af den primære strøm, dermed oprettende en "Nul-flux CT".

Den sekundære strøm passer derefter gennem en præcis belastningsmodstand, hvilket genererer et spændingssignal, der er proportionalt med den primære strøm. I dette opsetup forbliver det magnetiske materiale i kernen uopphidset, hvilket sikrer, at det ikke viser hystereseeffekter eller mættede effekter. Dog står fluxanulleringsmekanismen over for udfordringer ved DC- eller lavfrekvensforhold. Det er ikke muligt for detectionsvindingen at måle den resterende flux under disse omstændigheder, og dermed kan fluxen ikke effektivt annulleres.

Til at adressere DC-målinger inkluderes en DC-fluxsensor. Dette kan enten være en Hall-probe indlejret i kernen eller en flux-gatekreds udstyret med to ekstra kontrol- og sensorvindinger. Fordele ved Nul-flux Strømtransformatorer AC-nul-flux-sensorer viser høj lineæritet og præcision. De er immun mod egenskaberne af den magnetiske kerne, hvilket resulterer i en lille fasusfejl. Præcisionen af disse sensorer er primært bestemt af præcisionen af belastningsmodstanden.

Tilføjelsen af en Hall-probe eller en flux-gate-detektor gør det muligt at måle DC-strømme. Disse sensorer er højst resistente over for elektromagnetisk støj, hvilket sikrer pålidelig drift i forskellige elektromagnetiske miljøer. Ulemper ved Nul-flux Strømtransformatorer Sensoren kræver en ekstern strømforsyning og en forstærker for at fungere. En defekt sekundær kredsløb har potentialet til at generere farlige spændinger, hvilket udgør en sikkerhedsrisiko. Eksempel på Brug af Nul-flux Strømtransformatorer i Kii-Channel Projekt HVDC Link for Outdoor 500 kV DC GIS I Kii-Channel projektet anvendes nul-flux CT'er.

Figur 2 viser blokdiagrammet og hardwaredetaljerne for CT'en. Den strøm, der skal måles, (Ip), genererer en magnetisk flux, som påvirkes af strømmen (Is) i den sekundære vinding ((Ns)). Tre toroidale kjerner, placeret inden for GIS-kompartimentet, anvendes til at registrere fluxen. Kernene (N1) og (N2) er dedikeret til at registrere de DC-komponenter af den resterende flux, mens (N3) er ansvarlig for at registrere den AC-komponent. En oscillator driver parret af DC-flux-sensorer ((N1) og (N2)) ind i mætning i modsat retning.

Hvis den resterende DC-flux er nul, vil de resulterende strømpeaks i begge retninger være ens. Hvis imidlertid DC-fluxen er ikke-nul, er forskellen mellem disse peaks proportionel med den resterende DC-flux. Ved at kombinere den AC-komponent, der registreres af (N3), oprettes en kontrolsløjfe. Denne sløjfe genererer den sekundære strøm (Is) på en sådan måde, at den nulstiller den samlede flux. En effektforstærker leverer strømmen (Is) til den sekundære vinding (Ns). Herefter dirigeres den sekundære strøm til belastningsmodstanden, som konverterer strømmen til et ækvivalent spændingssignal. Målingspræcisionen bestemmes af både belastningsmodstanden og stabilteiteten af differentialforstærkeren.

Nul-flux strømtransformatorer er præcisioninstrumenter, der er designet til AC- og AC/DC-målinger. I øjeblikket anvendes de mest i Højspænding Direkte Strøm (HVDC) Gas-isolerede Understations (GIS). Målingsprincippet for en AC-nul-flux strømtransformator er illustreret i figur 1.