Pomiar prądu za pomocą transformatorów prądowych o zerowym przepływie w gazowo izolowanym sprzętu rozdzielczym (GIS)

Rosnąca złożoność sieci elektrycznej, szczególnie wraz z wprowadzeniem urządzeń opartych na elektronice mocy, wymaga śledzonych metod pomiarowych. Są one kluczowe do dokładnego określenia składowych wysokich częstotliwości dużych prądów elektrycznych. W nienaruszającym pomiarze zarówno prądów przemiennych, jak i stałych, szeroko stosuje się sprzężenie magnetyczne w transformatorach prądowych.

Błąd transformatora prądowego jest bezpośrednio związany z namagnesowaniem jego rdzenia. Ten naturalny związek prowokuje poszukiwanie metod zmniejszenia tego strumienia magnetycznego. Jednym z takich podejść jest technika zerowego strumienia. W tej technice wprowadza się bieżące kompensujące, które powodują zerowy strumień wewnątrz rdzenia magnetycznego.

Transformatory prądowe o zerowym strumieniu należą do kategorii niskomocowych transformatorów pomiarowych (LPITs). LPITy oferują wiele zalet, w tym mniejsze rozmiary, niższe zużycie energii, zwiększone bezpieczeństwo, wyższą precyzję i poprawioną niezawodność sygnału. Wraz z wprowadzeniem cyfrowej komunikacji w podstacjach zgodnie ze standardem IEC61850-9-2, zastosowanie LPITów w gazowo izolowanych podstacjach (GIS) ma stać się bardziej powszechne.

Obrótka detekcyjna odpowiada za wykrywanie strumienia magnetycznego w rdzeniu. Układ zamkniętego obiegu sterowania, składający się z wzmacniacza i obrótki sprzężenia zwrotnego, generuje prąd wtórny. Ten prąd wtórny jest zaprojektowany tak, aby skompensować strumień wytworzony przez prąd pierwotny, tworząc tym samym “transformator prądowy o zerowym strumieniu”. 

Prąd wtórny następnie przechodzi przez precyzyjny rezystor obciążenia, generując sygnał napięcia proporcjonalny do prądu pierwotnego. W takim układzie materiał magnetyczny rdzenia pozostaje niepodniecony, co gwarantuje, że nie występują efekty histerezy czy nasycenia. Niemniej jednak, w warunkach stałoprądowych lub niskich częstotliwości, mechanizm anulacji strumienia napotyka trudności. Obrótka detekcyjna nie jest w stanie mierzyć resztowego strumienia w takich warunkach, a więc strumień nie może być skutecznie zlikwidowany. 

Aby sprostać pomiaram prądu stałego, wprowadza się czujnik strumienia DC. Może to być albo sondę Halla wbudowaną w rdzeń, albo obwód flux-gate wyposażony w dwie dodatkowe obrówki sterujące i czujne. Zalety transformatorów prądowych o zerowym strumieniu Czujniki AC o zerowym strumieniu cechują się wysoką liniowością i precyzją. Są one odporne na właściwości rdzenia magnetycznego, co powoduje mały błąd fazowy. Dokładność tych czujników jest głównie określana przez precyzję rezystora obciążenia.

Dodanie sondy Halla lub detektora flux-gate umożliwia pomiary prądów stałych. Te czujniki są bardzo odporne na zakłócenia elektromagnetyczne, co zapewnia niezawodne działanie w różnych środowiskach elektromagnetycznych. Wady transformatorów prądowych o zerowym strumieniu Czujnik wymaga zewnętrznego źródła zasilania i wzmacniacza, aby działać. Uszkodzony obwód wtórny ma potencjał generowania niebezpiecznych napięć, co stanowi zagrożenie bezpieczeństwa. Przykład zastosowania transformatora prądowego o zerowym strumieniu w projekcie Kii-Channel HVDC Link dla zewnętrznej 500 kV DC GIS W projekcie Kii-Channel wykorzystuje się transformatory prądowe o zerowym strumieniu. 

Rysunek 2 przedstawia schemat blokowy oraz szczegóły sprzętowe CT. Prąd do zmierzenia, (Ip), generuje strumień magnetyczny, który jest wpływany przez prąd (Is) w obrótce wtórnej ((Ns)).Trzy toroidalne rdzenie, znajdujące się w przedziale GIS, służą do wykrywania strumienia. Rdzenie (N1) i (N2) są przeznaczone do wykrywania składowych DC resztowego strumienia, podczas gdy (N3) odpowiada za wykrywanie składowej AC. Oscylator prowadzi parę rdzeni wykrywających strumień DC ((N1) i (N2)) do nasycenia w przeciwnych kierunkach.

Jeśli resztowy strumień DC wynosi zero, szczytowe wartości prądu w obu kierunkach będą równe. Jeśli jednak strumień DC jest różny od zera, różnica między tymi szczytami jest proporcjonalna do resztowego strumienia DC. Poprzez połączenie składowej AC wykrytej przez (N3), ustanawia się pętlę sterującą. Ta pętla generuje prąd wtórny (Is) w taki sposób, aby zlikwidować całkowity strumień. Wzmacniacz mocy dostarcza prąd (Is) do obrótki wtórnej (Ns). Następnie prąd wtórny jest kierowany do rezystora obciążenia, który przekształca prąd w równoważny sygnał napięcia. Precyzja pomiaru jest określona zarówno przez rezystor obciążenia, jak i stabilność wzmacniacza różnicowego.

Transformatory prądowe o zerowym strumieniu to precyzyjne przyrządy zaprojektowane do pomiarów AC i AC/DC. Obecnie najczęściej stosuje się je w gazowo izolowanych podstacjach (GIS) wysokiego napięcia stałego (HVDC). Zasada pomiaru transformatora prądowego o zerowym strumieniu AC jest przedstawiona na Rysunku 1.