Strömmätning med nollflödesströmförstärkare i gasisoleras växelverk (GIS)

Ökande komplexiteten i elkraftnätet, särskilt med införandet av strömelektronikbaserade enheter, kräver spårbara mättekniker. Dessa är viktiga för att exakt fastställa de högfrekventa komponenterna i stora elektriska strömmar. Vid icke-intrusiv mätning av både växel- och likström används magnetisk koppling i strömförstärkare omfattande.

Felheten hos en strömförstärkare är direkt relaterad till magnetiseringen av dess kärna. Denna inre koppling leder naturligtvis till utforskandet av metoder för att minska denna magnetflöde. En sådan metod är noll-flödes-tekniken. I denna teknik introduceras en balanserande kompenserande ström för att inducera noll-flöde inuti den magnetiska kärnan.

Noll-flödes-strömförstärkare tillhör kategorin Lågspänningsinstrumenttransformatorer (LPIT). LPIT-er erbjuder många fördelar, inklusive mindre storlek, lägre energiförbrukning, ökad säkerhet, högre precision och förbättrad signalsäkerhet. Med implementeringen av digital kommunikation i understationer i enlighet med standarden IEC61850-9-2, kommer användningen av LPIT-er i Gasisolerede Understationer (GIS) att bli allt vanligare.

En detekteringsvindning ansvarar för att mäta det magnetiska flödet inuti kärnan. Ett slutet reglersystem, bestående av en förstärkare och en återkopplingsvindning, genererar en sekundär ström. Denna sekundära ström är utformad för att motverka flödet som produceras av primärströmmen, vilket skapar en "Noll-flödes CT".

Sekundärströmmen passerar sedan genom en noggrann belastningsresistor, vilket genererar ett spänningssignal som är proportionellt mot primärströmmen. I detta uppdrag förblir det magnetiska materialet i kärnan ouppväckt, vilket garanterar att det inte visar hysteres eller mättnadseffekter. Men vid DC- eller lågfrekvensförhållanden står flödesavvecklingsmekanismen inför utmaningar. Detektionsvindningen kan inte mäta restflödet under sådana omständigheter, och därför kan inte flödet effektivt avvecklas.

För att hantera DC-mätningar integreras en DC-fluxsensor. Detta kan vara antingen en Hallsond inbäddad i kärnan eller en fluxgatekrets utrustad med två ytterligare kontroll- och mätvindningar. Fördelar med Noll-flödes Strömförstärkare AC-noll-flödessensorer visar hög linjäritet och precision. De är immun mot egenskaperna hos den magnetiska kärnan, vilket resulterar i en liten fasfel. Precisionen hos dessa sensorer bestäms huvudsakligen av precisionen hos belastningsresistorn.

Tillägg av en Hallsond eller en fluxgate-detektor möjliggör mätning av DC-strömmar. Dessa sensorer är mycket motståndskraftiga mot elektromagnetisk störning, vilket säkerställer pålitlig drift i olika elektromagnetiska miljöer. Nackdelar med Noll-flödes Strömförstärkare Sensorn kräver en extern strömförsörjning och en förstärkare för att fungera. Ett felande sekundärcircuit har potential att generera farliga spänningar, vilket innebär en säkerhetsrisk. Exempel på Användning av Noll-flödes Strömförstärkare i Kii-Kanalprojektet HVDC-länk för utomhus 500 kV DC GIS I Kii-kanalprojektet används noll-flödes CT-er.

Figur 2 visar blockdiagrammet och hårdvarudetaljerna för CT. Strömmen som ska mätas, (Ip), genererar ett magnetiskt flöde som påverkas av strömmen (Is) i sekundärvindningen ((Ns)). Tre toroidala kärnor, placerade inuti GIS-kammaren, används för att mäta flödet. Kärnor (N1) och (N2) är dedikerade till att mäta DC-komponenterna av restflödet, medan (N3) ansvarar för att upptäcka AC-komponenten. En oscillator driver parret av DC-fluxmätande kärnor ((N1) och (N2)) till mättnad i motsatta riktningar.

Om restflödet DC är noll, kommer de resulterande strömpickarna i båda riktningarna att vara lika. Om dock DC-flödet inte är noll, är skillnaden mellan dessa toppar proportionell mot restflödet DC. Genom att kombinera AC-komponenten upptäckt av (N3) etableras en reglerloop. Denna loop genererar sekundärströmmen (Is) på ett sätt som neutraliserar det totala flödet. En förstärkare levererar strömmen (Is) till sekundärvindningen (Ns). Därefter dirigeras sekundärströmmen till belastningsresistorn, som konverterar strömmen till en ekvivalent spänningssignal. Mätprecisionen bestäms av både belastningsresistorn och stabiliteten hos differentiella förstärkaren.

Noll-flödes strömförstärkare är precisionsinstrument utformade för VAC- och VAC/DC-mätningar. För närvarande används de mest i Högspänningsdirektström (HVDC) Gasisolerede Understationer (GIS). Mätprincipen för en AC-noll-flödes strömförstärkare illustreras i figur 1.