Μέτρηση ρεύματος με τρανσφορμάτορες ρεύματος μηδενικού ροής σε σύστημα ενεργειακών στοιχείων με αεριοφόρτιση (GIS)

Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα του ηλεκτρικού δικτύου, ειδικά με την ενσωμάτωση συσκευών βασισμένων στην ηλεκτρονική τεχνολογία, κάνει απαραίτητες τις επιτρέψιμες μεθόδους μέτρησης. Αυτές είναι κρίσιμες για την ακριβή αποδεικνύουσα των υψηλοσυχνότητας συστατικών των υψηλών ηλεκτρικών ρευμάτων. Στη μη εισβολική μέτρηση και των εναλλασσόμενων (AC) και συνεχών (DC) ηλεκτρικών ρευμάτων, ευρέως χρησιμοποιείται η μαγνητική σύνδεση σε ρευματομετρητές.

Η λάθος σε ρευματομετρητή είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη μαγνητοποίηση του πυρήνα του. Αυτή η φυσική σύνδεση προκαλεί την εξέταση μεθόδων για τη μείωση αυτού του μαγνητικού ροής. Μία από αυτές τις μεθόδους είναι η τεχνική μηδενικής ροής. Σε αυτή την τεχνική, εισάγεται ένα αντισταθμιζόμενο ρεύμα για να προκαλέσει μηδενική ροή μέσα στον μαγνητικό πυρήνα.

Οι ρευματομετρητές μηδενικής ροής ανήκουν στην κατηγορία των Υψηλής-Ακρίβειας Εικονικών Ρευματομετρητών (LPITs). Οι LPITs παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένου του μικρότερου μεγέθους, της μικρότερης κατανάλωσης ενέργειας, της ενισχυμένης ασφάλειας, της υψηλότερης ακρίβειας και της βελτιωμένης αξιοπιστίας του σήματος. Με την εφαρμογή ψηφιακής επικοινωνίας σε υποσταθμείς σύμφωνα με το πρότυπο IEC61850 - 9 - 2, η χρήση LPITs σε Ηλεκτρομαγνητικά Μεσαίων και Υψηλών Τάσεων (GIS) θα γίνει πιο ευρεία.

Ένας ανίχνευσης πυρήνας είναι υπεύθυνος για την αίσθηση της μαγνητικής ροής μέσα στον πυρήνα. Ένα κλειστό κύκλωμα ελέγχου, το οποίο αποτελείται από έναν ενισχυτή και έναν πυρήνα ανατροφοδότησης, παράγει ένα δευτερεύον ρεύμα. Αυτό το δευτερεύον ρεύμα είναι σχεδιασμένο να αντισταθμίσει τη ροή που παράγεται από το πρωτεύον ρεύμα, δημιουργώντας έτσι έναν “Ρευματομετρητή Μηδενικής Ροής”. 

Το δευτερεύον ρεύμα διέρχεται στη συνέχεια μέσα από έναν ακριβή αντιστάτη, παράγοντας ένα σήμα τάσης ανάλογο με το πρωτεύον ρεύμα. Σε αυτή τη διάταξη, το μαγνητικό υλικό του πυρήνα παραμένει ανεξερεύνητο, διασφαλίζοντας ότι δεν εμφανίζει φαινόμενα ύστερης ενέργειας ή κόλλησης. Ωστόσο, σε συνθήκες DC ή χαμηλών συχνοτήτων, η μηχανική ανάδρασης της ροής αντιμετωπίζει προκλήσεις. Ο πυρήνας ανίχνευσης δεν είναι σε θέση να μετρήσει την υπόλοιπη ροή σε τέτοιες συνθήκες, και έτσι, η ροή δεν μπορεί να αναιρεθεί αποτελεσματικά. 

Για την αντιμετώπιση των μετρήσεων DC, ενσωματώνεται ένας αισθητήρας DC ροής. Αυτός μπορεί να είναι είτε ένας δορυφόρος Hall ενσωματωμένος στον πυρήνα είτε ένα κύκλωμα flux-gate εξοπλισμένο με δύο επιπλέον πυρήνες ελέγχου και ανίχνευσης.Πλεονεκτήματα των Ρευματομετρητών Μηδενικής ΡοήςΟι αντιστοιχοί AC αισθητήρες μηδενικής ροής εμφανίζουν υψηλή γραμμικότητα και ακρίβεια. Είναι ανυποχώρητοι στις ιδιότητες του μαγνητικού πυρήνα, αποτελείται σε μικρό φάσμα λάθους. Η ακρίβεια αυτών των αισθητήρων καθορίζεται κυρίως από την ακρίβεια του αντιστάτη.

Η προσθήκη ενός αισθητήρα Hall ή ενός αισθητήρα flux-gate επιτρέπει τη μέτρηση των ρευμάτων DC.Αυτοί οι αισθητήρες είναι πολύ ανθεκτικοί στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, διασφαλίζοντας αξιόπιστη λειτουργία σε διάφορα ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλοντα.Μειονεκτήματα των Ρευματομετρητών Μηδενικής ΡοήςΟ αισθητήρας απαιτεί εξωτερική πηγή ενέργειας και ενισχυτή για να λειτουργήσει.Ένας ανεπαρκής δευτερεύον κύκλωμας έχει τη δυνατότητα να παράγει επικίνδυνες τάσεις, δημιουργώντας έναν κίνδυνο ασφάλειας.Παράδειγμα Χρήσης Ρευματομετρητών Μηδενικής Ροής στο έργο Kii-Channel Project HVDC Link για εξωτερικό 500 kV DC GISΣτο έργο Kii-Channel, χρησιμοποιούνται ρευματομετρητές μηδενικής ροής. 

Η Σχήμα 2 παρουσιάζει το σχεδιαγράμμα και τις λεπτομέρειες του υλικού του ρευματομετρητή. Το ρεύμα που πρέπει να μετρηθεί, (Ip), παράγει μια μαγνητική ροή που επηρεάζεται από το ρεύμα (Is) στο δευτερεύον πυρήνα ((Ns)).Χρησιμοποιούνται τρεις τοροειδείς πυρήνες, τοποθετημένοι μέσα στο τμήμα GIS, για την αίσθηση της ροής. Οι πυρήνες (N1) και (N2) είναι αφιερωμένοι στην αίσθηση των συστατικών DC της υπόλοιπης ροής, ενώ ο (N3) είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση του συστατικού AC. Ένας ταλαντωτής οδηγεί το ζευγάρι πυρήνων αίσθησης DC ((N1) και (N2)) σε κόλληση σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Εάν η υπόλοιπη DC ροή είναι μηδέν, τα κορυφαία ρεύματα σε και τις δύο κατευθύνσεις θα είναι ίσα. Ωστόσο, εάν η DC ροή είναι μη μηδενική, η διαφορά μεταξύ αυτών των κορυφαίων είναι ανάλογη με την υπόλοιπη DC ροή. Συνδυάζοντας το συστατικό AC που ανιχνεύεται από το (N3), δημιουργείται ένας κύκλωμας ελέγχου. Αυτός ο κύκλωμας παράγει το δευτερεύον ρεύμα (Is) με τέτοιο τρόπο ώστε να αναιρεθεί η συνολική ροή. Ένας ενισχυτής τάσης παρέχει το ρεύμα (Is) στο δευτερεύον πυρήνα (Ns). Στη συνέχεια, το δευτερεύον ρεύμα κατευθύνεται στον αντιστάτη, ο οποίος μετατρέπει το ρεύμα σε ισοδύναμο σήμα τάσης. Η ακρίβεια της μέτρησης καθορίζεται από τόσο τον αντιστάτη όσο και τη σταθερότητα του διαφορικού ενισχυτή.

Οι ρευματομετρητές μηδενικής ροής είναι ακριβή εργαλεία σχεδιασμένα για μετρήσεις AC και AC/DC. Σήμερα, χρησιμοποιούνται πιο συχνά σε Υψηλή Τάση Συνεχή Ρεύμα (HVDC) Ηλεκτρομαγνητικά Μεσαίων και Υψηλών Τάσεων (GIS). Το πρίγκιπιο μέτρησης ενός ρευματομετρητή μηδενικής ροής AC είναι το Σχήμα 1.