Merenje struje nultočkastim transformatorima struje u gasno izolovanoj komutacionoj opremi (GIS)

Rastuća složenost električne mreže, posebno sa uključivanjem uređaja baziranih na strujnom-elektronskom opremu, zahteva merne tehnike koje se mogu pratiti. Ove su ključne za tačno utvrđivanje visokofrekventnih komponenti visokih električnih struja. U neinvazivnom merenju i AC i DC električnih struja, široko se koristi magnetsko spajanje u transformatorima struje.

Greška transformatora struje je direktno povezana sa magnetizacijom njegove jezgre. Ova prirodna veza naravno potiče istraživanje metoda za smanjenje ovog magnetskog toka. Jedan takav pristup jeste tehnika nultog toka. U ovoj tehnici, uvodi se balansirajući kompenzacioni tok kako bi se indukovao nulti tok unutar magnetske jezgre.

Transformatori struje s nultim tokom pripadaju kategoriji niskosnagovih instrumentnih transformatora (LPIT). LPIT-ovi nude mnoge prednosti, uključujući manju veličinu, nižu potrošnju energije, poboljšanu sigurnost, veću tačnost i poboljšanu pouzdanost signala. Sa implementacijom digitalne komunikacije u prekretnicama u skladu sa standardom IEC61850-9-2, upotreba LPIT-ova u plin-insulativnim prekretnicama (GIS) treba da postane još uobičajenija.

Zavojnice za detekciju su odgovorne za osećanje magnetskog toka unutar jezgre. Zatvoreni kontrolni sistem, koji se sastoji od pojačavača i zavojnice povratne veze, generiše sekundarni tok. Taj sekundarni tok je dizajniran da neutralizuje tok proizveden primarnim tokom, stvarajući time “Nultotok CT”. 

Zatim taj sekundarni tok prolazi kroz preciznu opterećujuću otpornicu, generišući naponski signal proporcionalan primarnom toku. U ovom postavljanju, magnetski materijal jezgre ostaje neiskazan, obezbeđujući da ne pokazuje efekte histerezisa ili nasitljivosti. Međutim, kod DC ili niskofrekventnih uslova, mehanizam otklanjanja toka suočava se sa izazovima. Zavojnica za detekciju nije u stanju da meri ostatni tok pod takvim uslovima, te se tok ne može efektivno otkloniti. 

Za rešavanje merenja DC toka, ugrađen je DC senzor toka. To može biti Hall proba ugrađena unutar jezgre ili flux-gate krug opremljen dve dodatne kontrolne i zavojnice za detekciju. Prednosti transformatora struje s nultim tokom AC senzori s nultim tokom pokazuju visoku linearnost i preciznost. Oni su imuni na karakteristike magnetske jezgre, što rezultira malim faznim greškama. Tačnost ovih senzora uglavnom je određena preciznošću opterećujuće otpornice.

Dodavanje Hall probe ili flux-gate detektora omogućava merenje DC toka. Ovi senzori su vrlo otporni na elektromagnetsku interferenciju, obezbeđujući pouzdan rad u različitim elektromagnetskim okruženjima. Mane transformatora struje s nultim tokom Senzor zahteva spoljnji izvor napona i pojačavač da bi radio. Neispravna sekundarna petlja ima potencijal da generiše opasne napone, stvarajući rizik za sigurnost. Primer upotrebe transformatora struje s nultim tokom u projektu Kii-Channel HVDC veza za vanjsko 500 kV DC GIS U projektu Kii-Channel, korišćeni su transformatori struje s nultim tokom. 

Slika 2 prikazuje blok-schematicu i hardverske detalje CT-a. Mereni tok (Ip) generiše magnetski tok koji je pod uticajem toka (Is) u sekundarnoj zavojnici ((Ns)). Tri toroidalne jezgre, smještene unutar odseka GIS, koriste se za osećanje toka. Jezgre (N1) i (N2) su posvećene osećanju DC komponenti ostatnog toka, dok (N3) ima za zadatak otkrivanje AC komponente. Oskilator dovodi par DC-flux-senzorskih jezgara ((N1) i (N2)) do nasitljivosti u suprotnim smjerovima.

Ako je ostatni DC tok nula, rezultirajuće vrhune toke u oba smjera će biti jednake. Međutim, ako je DC tok neničiji, razlika između ovih vrhunskih toka je proporcionalna ostatnom DC toku. Spajanjem AC komponente otkrivene od strane (N3), postavlja se kontrolna petlja. Ova petlja generiše sekundarni tok (Is) na način da neutralizuje ukupni tok. Pojačavač snage isporučuje tok (Is) na sekundarnu zavojnicu (Ns). Zatim, sekundarni tok upućuje se na opterećujuću otpornicu, koja pretvara tok u ekvivalentni naponski signal. Preciznost merenja je određena i opterećujućom otpornicom i stabilnošću diferencijalnog pojačavača.

Transformatori struje s nultim tokom su precizni instrumenti dizajnirani za AC i AC/DC merenja. Trenutno, najčešće se koriste u visokonaponskim prenosnicima izravne struje (HVDC) plin-insulativnih prekretnica (GIS). Princip merenja AC transformatora struje s nultim tokom prikazan je na Slici 1.