Stroommeting door middel van nul-flux stroomtransformatoren in gasgeïsoleerde schakelinstallaties (GIS)

De toenemende complexiteit van het elektriciteitsnet, vooral met de integratie van stroom-elektronica gebaseerde apparaten, maakt traceerbare meettechnieken noodzakelijk. Deze zijn cruciaal voor het nauwkeurig bepalen van de hoogfrequente componenten van hoge elektrische stromen. Bij het niet-invasieve meten van zowel wissel- als gelijkstroom wordt magnetische koppeling in stroomtransformatoren uitgebreid toegepast.

Het foutpercentage van een stroomtransformator is direct gerelateerd aan de magnetisatie van zijn kern. Deze inherente verbinding moedigt van nature het onderzoeken van methoden aan om deze magnetische flux te verminderen. Een dergelijke benadering is de zero-flux techniek. In deze techniek wordt een balancerende compensatiestroom ingevoerd om zero-flux binnen de magnetische kern te veroorzaken.

Zero-flux stroomtransformatoren behoren tot de categorie Laagvermogen Instrument Transformatoren (LPITs). LPITs bieden vele voordelen, waaronder kleinere afmetingen, lagere energieverbruik, verbeterde veiligheid, hogere nauwkeurigheid en betrouwbaardere signaaloverdracht. Met de implementatie van digitale communicatie in afdelingen conform de IEC61850-9-2 standaard, zal de toepassing van LPITs in Gas Geïsoleerde Afdelingen (GIS) meer voorkomen.

Een detectiespoel is verantwoordelijk voor het meten van de magnetische flux binnen de kern. Een gesloten lus regelsysteem, bestaande uit een versterker en een feedbackspoel, genereert een secundaire stroom. Deze secundaire stroom is ontworpen om de flux die door de primaire stroom wordt geproduceerd, te neutraliseren, waardoor een "Zero-flux CT" wordt gecreëerd. 

De secundaire stroom gaat vervolgens door een precisiebelastingsweerstand, wat een spanningssignaal genereert dat evenredig is met de primaire stroom. In deze opstelling blijft het magnetische materiaal van de kern onopgewonden, waardoor er geen hysteresis of verzadigingseffecten optreden. Echter, bij DC of laagfrequentie omstandigheden ervaart het flux annulering mechanisme problemen. De detectiespoel is niet in staat om de resterende flux onder dergelijke omstandigheden te meten, en dus kan de flux niet effectief worden geannuleerd. 

Om DC-metingen te adresseren, wordt een DC-fluxsensor geïntegreerd. Dit kan een Hall-proef in de kern of een flux-gate circuit uitgerust met twee extra controle- en detectiespoelen zijn. Voordelen van Zero-flux Stroomtransformatoren AC zero-flux sensoren tonen hoge lineariteit en precisie. Ze zijn immuun voor de eigenschappen van de magnetische kern, wat resulteert in een kleine fasefout. De nauwkeurigheid van deze sensoren wordt voornamelijk bepaald door de precisie van de belastingsweerstand.

De toevoeging van een Hall-proef of een flux-gate detector stelt het meten van DC-stromen in staat. Deze sensoren zijn zeer resistent tegen elektromagnetische interferentie, waardoor betrouwbare werking in verschillende elektromagnetische omgevingen wordt gegarandeerd. Nadelen van Zero-flux Stroomtransformatoren De sensor vereist een externe voeding en een versterker om te functioneren. Een defect in de secundaire schakeling heeft het potentieel om gevaarlijke spanningen te genereren, wat een veiligheidsrisico vormt. Voorbeeld van het gebruik van Zero-flux Stroomtransformatoren in het Kii-Channel Project HVDC Link voor Outdoor 500 kV DC GIS In het Kii-Channel project worden zero-flux CT's gebruikt. 

Figuur 2 presenteert het blokschema en de hardware details van de CT. De te meten stroom, (Ip), genereert een magnetische flux die beïnvloed wordt door de stroom (Is) in de secundaire spoel ((Ns)).Drie toroidale kernen, geplaatst binnen de GIS compartiment, worden gebruikt om de flux te meten. Kernen (N1) en (N2) zijn toegewijd aan het meten van de DC-componenten van de resterende flux, terwijl (N3) verantwoordelijk is voor het detecteren van de AC-component. Een oscillator brengt het paar DC-flux-sensoren ((N1) en (N2)) in tegengestelde richtingen in verzadiging.

Als de resterende DC-flux nul is, zullen de resulterende stroompieken in beide richtingen gelijk zijn. Echter, als de DC-flux niet nul is, is het verschil tussen deze pieken evenredig met de resterende DC-flux. Door de AC-component gedetecteerd door (N3) te combineren, wordt een regelschakeling opgesteld. Deze schakeling genereert de secundaire stroom (Is) op zo'n manier dat deze de totale flux neutraliseert. Een versterker levert de stroom (Is) aan de secundaire spoel (Ns). Vervolgens wordt de secundaire stroom naar de belastingsweerstand geleid, die de stroom omzet in een equivalente spanningssignaal. De meetnauwkeurigheid wordt bepaald door zowel de belastingsweerstand als de stabiliteit van de differentiële versterker.

Zero-flux stroomtransformatoren zijn precisie-instrumenten ontworpen voor AC en AC/DC metingen. Momenteel worden ze meestal gebruikt in Hoogspannings Gelijkstroom (HVDC) Gas Geïsoleerde Afdelingen (GIS). Het meetprincipe van een AC zero-flux stroomtransformator wordt weergegeven in Figuur 1.