Merjenje tokov z pretvorniki toka z ničelno fluksom v plinsko izolirani preklopniki (GIS)

Rastuča kompleksnost električnega omrežja, zlasti s povezovanjem naprav na osnovi močne elektronike, zahteva sledljive merilne tehnike. Te so ključne za točno določanje visokofrekvenčnih komponent visokih električnih tokov. Pri nevmeševalnem merjenju AC in DC tokov se obsežno uporablja magnetno preplavljanje v tokovih preoblikovalnikov.

Napaka tokovnega preoblikovalnika je neposredno povezana z magnetizacijo njegovega jedra. Ta notranja povezava naravno spodbuja iskanje metod za zmanjšanje tega magnetnega pretoka. Eden takšnih pristopov je tehnika ničelne magnetovalne gibanje. V tej tehniki se uvede ravnotežni kompenzacijski tok, ki inducira ničelni magnetni pretok znotraj jedra.

Tokovni preoblikovalniki z ničelno magnetovalno gibanje spadajo v kategorijo nizkomocnih meritvenih preoblikovalnikov (LPIT). LPIT ponujajo veliko prednosti, vključno z manjšo velikostjo, nižjo porabo energije, izboljšano varnostjo, večjo točnostjo in izboljšano zanesljivostjo signala. S uvedbo digitalne komunikacije v preobrazovalnicah v skladu s standardom IEC61850-9-2 bo uporaba LPIT v plinovih izoliranih preobrazovalnicah (GIS) postala bolj pogosta.

Vrtnica za zaznavanje je odgovorna za zaznavanje magnetnega pretoka znotraj jedra. Zaprta zanka nadzornega sistema, sestavljena iz pojačevalnika in povratne vrtnice, generira sekundarni tok. Ta sekundarni tok je zasnovan, da bi se nasprotoval pretoku, ki ga ustvari primarni tok, s tem ustvarja "Ničelni flux CT".

Sekundarni tok potem preteče skozi precizni bremenski upornik, kar generira napetostni signal, sorazmeren z primarnim tokom. V tej nastavitvi material jedra ostane neizviran, kar zagotavlja, da ne prikazuje histerze ali saturacije. Vendar pa pri DC ali nizko frekvenčnih pogoji mehanizem zamenševanja pretoka sreča izzive. Vrtnica za zaznavanje ni sposobna meriti ostanek pretoka v takšnih okoliščinah, zato pretok ne more biti učinkovito znižan.

Za reševanje meritev DC je vključen senzor DC magnetovalne gibanje. To lahko bodisi Hall probe, vdelana znotraj jedra, bodisi flux-gate krog, opremljen z dvema dodatnima kontrolnima in zaznavnima vrtnicama. Prednosti tokovnih preoblikovalnikov z ničelnim fluxom AC senzorji z ničelnim fluxom kažejo visoko linearnost in natančnost. Ti so odporni na lastnosti magnetnega jedra, kar vodi do majhne fazne napake. Natančnost teh senzorjev je glavno določena z natančnostjo bremenskega upornika.

Dodajanje Hall probe ali flux-gate detektorja omogoča merjenje DC tokov. Ti senzorji so zelo odporni na elektromagnetno motnje, kar zagotavlja zanesljivo delovanje v različnih elektromagnetnih okoljih. Slabosti tokovnih preoblikovalnikov z ničelnim fluxom Senzor zahteva zunanjo napajalno napravo in pojačevalnik za delovanje. Nepravilno delujoč sekundarni krog ima potencial, da ustvari nevarne napetosti, kar predstavlja varnostni tveganje. Primer uporabe tokovnega preoblikovalnika z ničelnim fluxom v projektu Kii-Channel HVDC povezavi za odprto 500 kV DC GIS V projektu Kii-Channel so uporabljeni tokovni preoblikovalniki z ničelnim fluxom.

Slika 2 prikazuje blokovni diagram in hardverske podrobnosti tokovnega preoblikovalnika. Merjeni tok (Ip) generira magnetni pretok, ki je vpliven na tok (Is) v sekundarni vrtnici ((Ns)). Tri toroidalna jedra, ki so postavljena znotraj odseka GIS, so uporabljena za zaznavanje pretoka. Jedri (N1) in (N2) so namenjeni zaznavanju DC komponent ostanka pretoka, medtem ko (N3) odgovarja za zaznavanje AC komponente. Oskilator pogaja par DC-flux-senzorskih jedri ((N1) in (N2)) v nasprotnih smerih do nasititve.

Če je ostanek DC fluxa enak nič, bodo rezultirajoči tokovi v obeh smerih enaki. Vendar, če je DC flux različen od nič, je razlika med temi vrhovi sorazmerna z ostanek DC fluxa. Z združevanjem AC komponente, zaznane z (N3), se vzpostavi kontrolna zanka. Ta zanka generira sekundarni tok (Is) tako, da zniža celoten flux. Pojačevalnik snovi tok (Is) na sekundarno vrtnico (Ns). Sekundarni tok je nato usmerjen na bremenski upornik, ki pretvori tok v ekvivalentni napetostni signal. Meritvena natančnost je določena z bremenskim upornikom in stabilnostjo diferencialnega pojačevalnika.

Tokovni preoblikovalniki z ničelnim fluxom so natančni instrumenti, zasnovani za merjenje AC in AC/DC. Trenutno so najpogosteje uporabljeni v visokonapetostnih neposredni strmi (HVDC) plinsko izoliranih preobrazovalnic (GIS). Princip meritve AC tokovnega preoblikovalnika z ničelnim fluxom je prikazan na Sliki 1.