Измерение тока с помощью трансформаторов тока с нулевым потоком в газонаполненном коммутационном оборудовании (GIS)

Растущая сложность электрической сети, особенно с интеграцией устройств на основе силовой электроники, требует измерительных методов, которые можно отслеживать. Эти методы крайне важны для точного определения высокочастотных компонентов больших электрических токов. При неинвазивном измерении как переменных, так и постоянных электрических токов широко используется магнитное соединение в трансформаторах тока.

Ошибка трансформатора тока напрямую связана с намагничиванием его сердечника. Эта внутренняя связь естественным образом побуждает к исследованию методов уменьшения этого магнитного потока. Одним из таких подходов является техника нулевого потока. В этой технике вводится компенсирующий ток, чтобы вызвать нулевой поток внутри магнитного сердечника.

Трансформаторы тока с нулевым потоком относятся к категории маломощных измерительных трансформаторов (LPITs). LPITs предлагают множество преимуществ, включая меньшие размеры, более низкое энергопотребление, улучшенную безопасность, большую точность и повышенную надежность сигнала. С внедрением цифровой связи в подстанциях в соответствии со стандартом IEC61850-9-2 использование LPITs в газоизолированных подстанциях (GIS) станет более распространенным.

Обмотка обнаружения отвечает за измерение магнитного потока внутри сердечника. Замкнутая система управления, состоящая из усилителя и обратной обмотки, генерирует вторичный ток. Этот вторичный ток предназначен для противодействия потоку, создаваемому первичным током, тем самым создавая “Трансформатор тока с нулевым потоком”. 

Затем этот вторичный ток проходит через прецизионный резистор нагрузки, генерируя напряжение, пропорциональное первичному току. В этом устройстве магнитный материал сердечника остается невозбужденным, что обеспечивает отсутствие эффектов гистерезиса или насыщения. Однако при постоянном или низкочастотном режиме механизм компенсации потока сталкивается с трудностями. Обмотка обнаружения не способна измерить остаточный поток в таких условиях, и, следовательно, поток не может быть эффективно компенсирован. 

Для решения проблемы измерений постоянного тока используется датчик постоянного магнитного потока. Это может быть либо заложенный в сердечник зонд Холла, либо цепь флюксгейта, оснащенная двумя дополнительными обмотками управления и обнаружения.Преимущества трансформаторов тока с нулевым потокомАЦП датчики с нулевым потоком демонстрируют высокую линейность и точность. Они не зависят от характеристик магнитного сердечника, что приводит к малой фазовой ошибке. Точность этих датчиков в основном определяется точностью резистора нагрузки.

Добавление зонда Холла или детектора флюксгейта позволяет измерять постоянные токи.Эти датчики обладают высокой устойчивостью к электромагнитным помехам, обеспечивая надежную работу в различных электромагнитных средах.Недостатки трансформаторов тока с нулевым потокомДатчик требует внешнего источника питания и усилителя для работы.Неисправная вторичная цепь может генерировать опасные напряжения, представляющие собой риск безопасности.Пример использования трансформатора тока с нулевым потоком в проекте Kii-Channel HVDC Link для наружной 500 кВ DC GISВ проекте Kii-Channel используются трансформаторы тока с нулевым потоком. 

Рисунок 2 представляет блок-схему и аппаратные детали трансформатора тока. Измеряемый ток (Ip) генерирует магнитный поток, который влияет на ток (Is) во вторичной обмотке ((Ns)).Три тороидальных сердечника, расположенные в отсеке GIS, используются для измерения потока. Сердечники (N1) и (N2) предназначены для измерения постоянных компонентов остаточного потока, в то время как (N3) отвечает за обнаружение переменного компонента. Генератор сигналов приводит пару сердечников для измерения постоянного потока ((N1) и (N2)) в насыщение в противоположных направлениях.

Если остаточный постоянный поток равен нулю, пиковые значения тока в обоих направлениях будут одинаковыми. Однако, если постоянный поток не равен нулю, разница между этими пиками будет пропорциональна остаточному постоянному потоку. Объединяя переменный компонент, обнаруженный (N3), устанавливается контрольная петля. Эта петля генерирует вторичный ток (Is) таким образом, чтобы он аннулировал общий поток. Усилитель мощности подает ток (Is) во вторичную обмотку (Ns). Затем вторичный ток направляется к резистору нагрузки, который преобразует ток в эквивалентное напряжение. Точность измерения определяется как резистором нагрузки, так и стабильностью дифференциального усилителя.

Трансформаторы тока с нулевым потоком являются прецизионными приборами, предназначенными для измерений переменного и переменного/постоянного тока. В настоящее время они наиболее часто используются в газоизолированных подстанциях (GIS) высоковольтного постоянного тока (HVDC). Принцип измерения трансформатора тока с нулевым потоком переменного тока показан на рисунке 1.