Strommessung durch Nullfluss-Stromwandler in gasisolierten Schaltanlagen (GIS)

Die zunehmende Komplexität des Stromnetzes, insbesondere durch die Integration von leistungselektronikbasierten Geräten, erfordert nachverfolgbare Messmethoden. Diese sind entscheidend, um die hochfrequenten Komponenten hoher elektrischer Ströme genau zu bestimmen. Bei der nicht-invasiven Messung von Wechsel- und Gleichstrom wird häufig die magnetische Kopplung in Stromwandlern eingesetzt.

Der Fehler eines Stromwandlers ist direkt mit der Magnetisierung seines Kerns verbunden. Diese inhärente Verbindung fördert natürlich die Erforschung von Methoden zur Reduzierung dieses magnetischen Flusses. Eine solche Methode ist die Nullfluss-Technik. Bei dieser Technik wird ein ausgleichender Kompensationsstrom eingeführt, um innerhalb des magnetischen Kerns einen Nullfluss zu erzeugen.

Nullfluss-Stromwandler gehören zur Kategorie der Niedrigleistungsmessumformer (LPITs). LPITs bieten zahlreiche Vorteile, darunter eine kleinere Größe, einen geringeren Energieverbrauch, erhöhte Sicherheit, höhere Genauigkeit und verbesserte Signalzuverlässigkeit. Mit der Implementierung digitaler Kommunikation in Umspannwerken gemäß dem IEC61850-9-2-Standard wird die Nutzung von LPITs in gasisolierten Schaltanlagen (GIS) zunehmen.

Eine Detektionswicklung ist verantwortlich für die Erfassung des magnetischen Flusses im Kern. Ein Regelkreis, bestehend aus einem Verstärker und einer Rückkopplungswicklung, erzeugt einen Sekundärstrom. Dieser Sekundärstrom ist so ausgelegt, dass er den Fluss, der durch den Primärstrom erzeugt wird, kompensiert, wodurch ein "Nullfluss-Wandler" entsteht. 

Der Sekundärstrom fließt dann durch einen Präzisionsbelastungswiderstand, was ein Spannungssignal erzeugt, das proportional zum Primärstrom ist. In dieser Anordnung bleibt das magnetische Material des Kerns unangeregt, sodass es keine Hysterese- oder Sättigungseffekte zeigt. Allerdings stellen bei Gleichstrom- oder Niederfrequenzbedingungen die Flusskompensation Mechanismen Herausforderungen dar. Die Detektionswicklung kann unter diesen Umständen den Restfluss nicht messen, und daher kann der Fluss nicht effektiv aufgehoben werden. 

Zur Bewältigung von Gleichstrommessungen wird ein DC-Fluss-Sensor integriert. Dies kann entweder ein Hallsonde, die im Kern eingebettet ist, oder ein Flux-Gate-Schaltung mit zwei zusätzlichen Steuer- und Detektionswindungen sein. Vorteile von Nullfluss-Stromwandlern: AC-Nullfluss-Sensoren zeigen eine hohe Linearität und Präzision. Sie sind immun gegen die Eigenschaften des magnetischen Kerns, was zu einem geringen Phasenfehler führt. Die Genauigkeit dieser Sensoren wird hauptsächlich durch die Präzision des Belastungswiderstands bestimmt.

Die Hinzunahme einer Hallsonde oder eines Flux-Gate-Detektors ermöglicht die Messung von Gleichströmen. Diese Sensoren sind sehr resistent gegen elektromagnetische Störungen, was eine zuverlässige Funktion in verschiedenen elektromagnetischen Umgebungen sicherstellt. Nachteile von Nullfluss-Stromwandlern: Der Sensor benötigt eine externe Stromversorgung und einen Verstärker, um zu funktionieren. Ein defekter Sekundärkreis hat das Potenzial, gefährliche Spannungen zu erzeugen, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Beispiel für die Nutzung von Nullfluss-Stromwandlern im Kii-Kanal-Projekt HVDC-Verbindung für Outdoor 500 kV DC GIS Im Kii-Kanal-Projekt werden Nullfluss-Wandler eingesetzt. 

Abbildung 2 zeigt den Blockschaltbild und die Hardware-Details des Wands. Der zu messende Strom (Ip) erzeugt einen magnetischen Fluss, der vom Strom (Is) in der Sekundärwicklung ((Ns)) beeinflusst wird. Drei toroidale Kerne, die sich im GIS-Fach befinden, werden verwendet, um den Fluss zu erfassen. Die Kerne (N1) und (N2) sind speziell dafür vorgesehen, die Gleichstromkomponenten des verbleibenden Flusses zu erfassen, während (N3) für die Erfassung der Wechselstromkomponente zuständig ist. Ein Oszillator treibt die Paar DC-Fluss-Sensorkerne ((N1) und (N2)) in entgegengesetzte Richtungen in die Sättigung.

Wenn der verbleibende Gleichstrom-Fluss null ist, werden die resultierenden Stromspitzen in beiden Richtungen gleich sein. Wenn jedoch der Gleichstrom-Fluss nicht null ist, ist die Differenz zwischen diesen Spitzen proportional zum Rest-Gleichstrom-Fluss. Durch die Kombination der Wechselstromkomponente, die von (N3) detektiert wird, wird ein Regelkreis etabliert. Dieser Kreis erzeugt den Sekundärstrom (Is) so, dass er den gesamten Fluss aufhebt. Ein Leistungsverstärker liefert den Strom (Is) an die Sekundärwicklung (Ns). Der Sekundärstrom wird anschließend an den Belastungswiderstand geleitet, der den Strom in ein äquivalentes Spannungssignal umwandelt. Die Messgenauigkeit wird sowohl durch den Belastungswiderstand als auch durch die Stabilität des Differenzverstärkers bestimmt.

Nullfluss-Stromwandler sind Präzisionsinstrumente, die für Wechsel- und Wechsel-/Gleichstrommessungen entwickelt wurden. Aktuell finden sie am häufigsten in Hochspannungs-Gleichstrom-(HVDC)-Gasisolierten Schaltanlagen (GIS) Anwendung. Das Messprinzip eines AC-Nullfluss-Stromwandlers wird in Abbildung 1 dargestellt.