Sähkövirran mittaaminen nollavirtasäätömuuntimilla kaasua altistamassa kytkentälaitteessa (GIS)

Sähköverkon kasvava monimutkaisuus, erityisesti sähkökomponenttiperustisten laitteiden käytön myötä, vaatii jäljitettäviä mittausmenetelmiä. Nämä ovat välttämättömiä korkean taajuuden komponenttien tarkkaa määrittelyä suurissa sähkövirroissa varten. Sekä vaihto- että jannitussähkövirtojen epäsuorassa mittauksessa on laajasti käytössä magneettikoppeli virranmuunnoksissa.

Virranmuunnoksen virhe liittyy suoraan sen ytimen magnetisoitumiseen. Tämä luonteva yhteys kannustaa etsimään keinoja vähentää tämän magneettivirtauksen vaikutusta. Yksi sellainen menetelmä on nolla-flux-teknologia. Tässä teknologiassa ytimeen tuodaan tasapainottava kompensoiva virta, joka aiheuttaa nollan fluxin magneettisessa ytimessä.

Nolla-flux-virranmuunnokset kuuluvat alhaisvoimisiin mittalaitteisiin (LPIT). LPIT:t tarjoavat useita etuja, kuten pienemmän koon, alhaisemman energiankulutuksen, parannetun turvallisuuden, paremman tarkkuuden ja parannetun signaalivarmuuden. Digitaalisen viestinnän käyttöönoton myötä IEC61850-9-2 -standardin mukaisesti asemissa, LPIT:n käyttö kaasulevitettyihin asemiin (GIS) on tapahtumassa yleistymässä.

Havaintopituinen on vastuussa ytimen sisällä olevan magneettivirran havainnoinnista. Suljettu säädösjarjestelmä, joka koostuu vahvistimesta ja palautepituinen, luo toissijaisen virran. Tämä toissijainen virta on suunniteltu vastustamaan ensimmäisen virran aiheuttamaa fluxia, mikä luo “Nolla-flux CT”. 

Toissijainen virta kulkee tarkkuuspainorasian läpi, jolloin syntyy jännite, joka on verrannollinen ensimmäiseen virtaan. Tässä asetuksessa ytimen magneettimateriaali pysyy hermoitumattomana, mikä tarkoittaa, ettei siinä ilmene hystereesi- tai saturaatiotehoja. Kuitenkin DC- tai matalataajuusolosuhteissa fluxin peruttamismekanismi kohtaa haasteita. Havaintopituinen ei kykene mittaamaan residuaalifluxia näissä olosuhteissa, joten fluxia ei voida tehokkaasti perua. 

DC-mittauksia varten on integroitu DC-flux-anturi. Tämä voi olla joko ytimeen upotettu Hall-proppu tai flux-gate-piiri, jossa on kaksi lisää ohjaus- ja havaintopituista. Nolla-flux-virranmuunnosten edut AC-nolla-flux-anturit osoittavat korkeaa lineaarisuutta ja tarkkuutta. Ne ovat immuuneja ytimen magneettiominaisuuksia kohtaan, mikä johtaa pieniin vaihevirheisiin. Näiden anturien tarkkuus riippuu pääasiassa painorasian tarkkuudesta.

Hall-proppu- tai flux-gate-havaintimen lisääminen mahdollistaa DC-virtojen mittaamisen. Nämä anturit ovat erittäin vastustuskykyisiä sähkömagneettiselle häiriölle, mikä takaa luotettavan toiminnan erilaisissa sähkömagneettisissa ympäristöissä. Nolla-flux-virranmuunnosten haitat Anturi vaatii ulkoisen voimannäyteen ja vahvistimen toimiakseen. Viallinen toissijainen piiri voi aiheuttaa vaarallisia jännitteitä, mikä aiheuttaa turvallisuusriskin. Esimerkki nolla-flux-virranmuunnoksen käytöstä Kii-Channel -projektin HVDC-linkissä ulkoisessa 500 kV DC GIS:ssä Kii-Channel -projektissa käytetään nolla-flux-CT:eja. 

Kuva 2 esittää CT:n lohko- ja laiterakennetta. Mittattava virta (Ip) luo magneettifluxin, joka vaikuttaa toissijaisen pituinen (Ns) virran (Is) avulla. Kolme toroidaalisia ytimiä, jotka sijaitsevat GIS-kompartmentissa, käytetään fluxin havainnointiin. Ytimet (N1) ja (N2) ovat omistautuneet DC-komponenttien havainnointiin jäämävästä fluxista, kun taas (N3) on vastuussa AC-komponentin havainnoinnista. Oskillaattori ajaa parin DC-flux-havainnoivaa ydintä ((N1) ja (N2)) vastakkaisiin suuntiin saturoitumaan.

Jos jäämävä DC-flux on nolla, tulokseksi tulevat huipput arvot molempiin suuntiin ovat yhtä suuret. Jos kuitenkin DC-flux on nollasta poikkeava, näiden huippujen ero on verrannollinen jäämävään DC-fluxiin. Yhdistämällä (N3):n havainnoima AC-komponentti, luodaan säätöluuppi. Tämä luuppi luo toissijaisen virran (Is) niin, että se nollaa kokonaisen fluxin. Voimanvahvistin tarjoaa (Is)-virtaa toissijaiseen pituineen (Ns). Tämän jälkeen toissijainen virta ohjautuu painorasian läpi, joka muuntaa virran vastaavaksi jänniteteksi. Mittaustarkkuus määräytyy sekä painorasian että differentiaalivahvistimen vakauden perusteella.

Nolla-flux-virranmuunnokset ovat tarkkuuslaitteita, jotka on suunniteltu AC- ja AC/DC-mittauksiin. Nykyisin ne ovat yleisimmin käytössä korkean jännitteen suoravirta (HVDC) kaasulevitetyissä asemissa (GIS). AC-nolla-flux-virranmuunnoksen mittaustekniikka on esitetty kuvassa 1.