Đo dòng điện bằng biến áp dòng không từ thông trong thiết bị đóng cắt cách điện khí (GIS)

Sự phức tạp ngày càng tăng của lưới điện, đặc biệt là với việc tích hợp các thiết bị dựa trên điện tử công suất, đòi hỏi các kỹ thuật đo lường có thể truy cứu. Những kỹ thuật này rất quan trọng để xác định chính xác các thành phần tần số cao của dòng điện lớn. Trong việc đo không xâm lấn cả dòng điện xoay chiều và một chiều, sự kết hợp từ trường trong biến áp dòng điện được sử dụng rộng rãi.

Lỗi của biến áp dòng điện liên quan trực tiếp đến quá trình từ hóa lõi của nó. Sự kết nối tự nhiên này thúc đẩy việc khám phá các phương pháp giảm thiểu từ thông này. Một phương pháp như vậy là kỹ thuật không từ thông. Trong kỹ thuật này, một dòng điện bù được giới thiệu để tạo ra từ thông bằng không bên trong lõi từ.

Biến áp dòng điện không từ thông thuộc danh mục các Biến áp Đo Lượng Điện Năng Thấp (LPITs). LPITs mang lại nhiều lợi ích, bao gồm kích thước nhỏ hơn, tiêu thụ năng lượng thấp hơn, an toàn hơn, độ chính xác cao hơn và độ tin cậy tín hiệu tốt hơn. Với việc triển khai giao tiếp số trong các trạm biến áp theo chuẩn IEC61850-9-2, việc sử dụng LPITs trong các Trạm Biến Áp Cách Ly Khí (GIS) sẽ trở nên phổ biến hơn.

Cuộn dây phát hiện chịu trách nhiệm cảm nhận từ thông trong lõi. Hệ thống điều khiển vòng kín, bao gồm bộ khuếch đại và cuộn dây phản hồi, tạo ra dòng điện thứ cấp. Dòng điện thứ cấp này được thiết kế để đối kháng với từ thông do dòng điện sơ cấp tạo ra, do đó tạo ra "Biến áp dòng điện không từ thông". 

Dòng điện thứ cấp sau đó đi qua điện trở tải chính xác, tạo ra tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng điện sơ cấp. Trong cấu hình này, vật liệu từ của lõi vẫn không bị kích thích, đảm bảo rằng nó không thể hiện các hiệu ứng hysteresis hoặc bão hòa. Tuy nhiên, ở điều kiện DC hoặc tần số thấp, cơ chế hủy bỏ từ thông gặp phải thách thức. Cuộn dây phát hiện không thể đo từ thông dư thừa trong những tình huống này, do đó, từ thông không thể được hủy bỏ hiệu quả. 

Để giải quyết việc đo dòng DC, một cảm biến từ thông DC được tích hợp. Điều này có thể là một đầu dò Hall được nhúng trong lõi hoặc mạch flux-gate được trang bị thêm hai cuộn dây kiểm soát và cảm biến. Ưu điểm của Biến áp dòng điện không từ thông Các cảm biến không từ thông AC thể hiện tính tuyến tính và độ chính xác cao. Chúng miễn nhiễm với đặc tính của lõi từ, dẫn đến lỗi pha nhỏ. Độ chính xác của các cảm biến này chủ yếu được xác định bởi độ chính xác của điện trở tải.

Việc bổ sung đầu dò Hall hoặc bộ phát hiện flux-gate cho phép đo dòng DC. Các cảm biến này rất chống chịu với nhiễu điện từ, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong các môi trường điện từ khác nhau. Nhược điểm của Biến áp dòng điện không từ thông Cảm biến yêu cầu nguồn điện ngoài và bộ khuếch đại để hoạt động. Mạch thứ cấp hỏng có thể tạo ra điện áp nguy hiểm, gây rủi ro an toàn. Ví dụ về việc sử dụng Biến áp dòng điện không từ thông trong Dự án Kênh Kii đường truyền HVDC cho GIS DC 500 kV ngoài trời Trong dự án Kênh Kii, các biến áp dòng điện không từ thông được sử dụng. 

Hình 2 trình bày sơ đồ khối và chi tiết phần cứng của biến áp. Dòng điện cần đo, (Ip), tạo ra từ thông bị ảnh hưởng bởi dòng điện (Is) trong cuộn dây thứ cấp ((Ns)).Ba lõi toroidal, nằm trong khoang GIS, được sử dụng để cảm nhận từ thông. Lõi (N1) và (N2) được dành riêng để cảm nhận các thành phần DC của từ thông còn lại, trong khi (N3) chịu trách nhiệm phát hiện thành phần AC. Một dao động tạo ra cặp lõi cảm biến từ thông DC ((N1) và (N2)) vào trạng thái bão hòa theo hướng ngược lại.

Nếu từ thông DC còn lại bằng không, đỉnh dòng điện trong cả hai hướng sẽ bằng nhau. Tuy nhiên, nếu từ thông DC không bằng không, sự khác biệt giữa các đỉnh này tỷ lệ với từ thông DC dư thừa. Bằng cách kết hợp thành phần AC được phát hiện bởi (N3), một vòng điều khiển được thiết lập. Vòng này tạo ra dòng điện thứ cấp (Is) theo cách mà nó triệt tiêu tổng từ thông. Bộ khuếch đại công suất cung cấp dòng điện (Is) cho cuộn dây thứ cấp (Ns). Sau đó, dòng điện thứ cấp được hướng đến điện trở tải, chuyển đổi dòng điện thành tín hiệu điện áp tương đương. Độ chính xác đo lường được xác định bởi cả điện trở tải và độ ổn định của bộ khuếch đại chênh lệch.

Biến áp dòng điện không từ thông là các thiết bị chính xác được thiết kế cho việc đo dòng AC và AC/DC. Hiện tại, chúng được sử dụng phổ biến nhất trong các Trạm Biến Áp Cách Ly Khí (GIS) Đường Truyền DC Cao Áp (HVDC). Nguyên tắc đo lường của biến áp dòng điện không từ thông AC được minh họa trong Hình 1.