Kombinované měřicí transformátory (CIT) řešení: inženýrský návrh a perspektiva integrace

1. Základní koncept řešení: Modulární platforma s sdílenou izolací

Návrh: Vytvoření unifikované, modulární platformy, která v jedné optimalizované struktuře obsahuje funkce pro měření proudu a napětí.
Izolace: Použití sdílené izolační obálky. Byly vyvinuty dvě možnosti:

Plyn SF6: Prokázaná vysoká dielektrická síla a vynikající vlastnosti pro uhasení oblouku pro vyšší třídy napětí (např. 72,5 kV a vyšší). Návrh zahrnuje monitorování hustoty plynu a osvědčenou uzavírací technologii.
Kompozitní obal (pevná izolace): Ekologicky udržitelné řešení používající materiály z vysokokvalitního polymeru s silikónovými šupinami. Ideální pro nižší a střední napětí nebo tam, kde je vyžadován odstup od SF6. Optimalizováno pro vzdálenost plazu a odolnost proti znečištění.

2. Implementace integrované senzorové technologie

Senzor: Vysoce přesné, teplotně kompenzované cívele Rogowského. Vybrány pro:

Široký dynamický rozsah: Vynikající linearity od malých zlomků nominálního proudu až po vysoké zkratové proudy (např. >40 kA).
Bez nasycení: Zásadní výhoda oproti transformátorům proudu s železným jádrem, eliminující riziko nasycení během poruch.
Lehkost: Značně snižuje mechanické namáhání celé struktury.

Integrace: Cívele strategicky umístěné uvnitř izolační obálky, soustředně s hlavním vodičem. Bezpečné mechanické montážní místo odolné proti vibracím.

Senzor: Vysoce stabilní kapacitivní děliče napětí (CVD) jako standard. Odporové děliče (RVD) jsou zvažovány pro specifické aplikace DC nebo širokopásmové aplikace vyžadující rychlou reakci na přechodné jevy.
Integrace: Senzorové elektrody CVD (nízké impedance) integrovány přímo do struktury izolátoru. Přesné elektrody pro rovnoměrné pole a tepelnou/poškozovací stabilitu. Kritické štítění zabrání rušivému vnějšímu poli.

3. Pokročilé modelování a izolace elektromagnetického pole (kritický inženýrský problém)

Modelování: Nutné, vysokofidelní 3D metoda konečných prvků (FEM) pro modelování celé platformy:

Přesně charakterizuje vnitřní elektromagnetická pole za všech provozních podmínek (sinusoidální, přechodné, zkreslené vlnové formy).
Hodnotí blízkost efektů od vodičů, obalů a sousedních fází.

Fyzická separace: Optimální geometrické uspořádání senzorových prvků (cívele, elektrody CVD) na základě výsledků modelování. Maximální vzdálenost v rámci omezení.
Aktivní štítění: Implementace zemědělávacích elektrostatických štítů strategicky umístěných mezi senzorovými prvky na základě dat simulace pole.
Ochranné kroužky: Použití vodivých ochranných kroužků kolem výstupů cívelek Rogowského pro odvod dislokací proudů.

Vyhrazené signální trasy: Vedení signálů od jednotlivých senzorů pomocí štítěných, splétaných párových kabelů uvnitř obalu okamžitě po zachycení.
Kompensovaný návrh obvodu: Elektronické kondicionovací obvody navržené s technikami rušení křížového rušení informovanými FEM modely.
Ověření: Přísné tovární testy (včetně testů s harmonickými injekcemi) pro charakterizaci a ověření okrajů izolace a úrovní křížového rušení (< 0,1% specifikováno).

4. Integrované digitální zpracování a standardizovaná rozhraní

Dedikované, nízkonapěťové ASICs nebo mikrokontroléry s vysokou spolehlivostí přímo integrované na senzorovou platformu nebo vedle pečlivě uzavřeného modulu.
Funkce zahrnují: integrátor cívelek Rogowského, škálování, ADC konverzi, výpočet harmonických (pokud je to relevantní), linearizaci, teplotní kompenzaci a časové razítko.

Vestavěná rozhraní: Začlenění obvodu digitálního výstupu v souladu s IEC 61869 přímo do jednotky CIT.
Protokoly: Standardizovaná podpora pro:

IEC 61850-9-2: Stream vzorkovaných hodnot (SV) přes Ethernet (typicky multicast).
IEC 61850-9-3LE: Profil SV Lightning Edition pro zajištění deterministické nízké latence.

Další možnosti: Možnost pro starší výstupy (analogové, IEC 60044-8 FT3) tam, kde je to potřebné, prostřednictvím volitelných modulů.

Kvalita dat: Integrovaná funkce jednotky sloučení (MU) splňující relevantní normy IEC 61869 pro přesnost (TPE/TPM třída) a synchronizaci (PLL synchronizace).

5. Inženýrské aspekty návrhu a integrace

Řízení teploty: Modely zahrnují analýzu tepelného výkonu. Tepelné ztráty z elektroniky aktivně spravovány pomocí nízkonapěťových komponent, potenciálních lokálních chladicích ploch a optimalizovaných konvekčních cest uvnitř izolátoru.
Robustnost EMC/EMI: Použití konformního povlaku, štítěných obalů, feritů a optimalizovaných zemnících strategií pro interní elektroniku. Ochrana proti přenosům v souladu s relevantními normami (IEC 61000-4-5).
Mechanická celistvost: Provádění strukturální analýzy pro seismické zatěžování, větrné zatěžování, ledové zatěžování a dynamické síly během poruch. Optimalizované použití materiálů (kompozit/porcelán/SF6) přispívá k nižší seismické hmotnosti.
Tovární kalibrace a testování: Komplexní kalibrace proti referenčním standardům (optické/VTBI metody). Zahrnuje ověření efektivity EM izolace, přesnosti času, souladu s protokoly a plnovýkonového dielektrického testování.
Životní cyklus a servisní schopnost: Navrženo pro minimální údržbu (zejména SF6 nebo pevná izolace). Modulární elektronika potenciálně přístupná/testovatelná bez velké demontáže. Uvažovány cesty ke zlikvidování na konci životního cyklu (obnova/recyklování SF6).

Přínosy realizované touto metodou návrhu a integrace:

Snížení plošného zaujetí: Až 40-50% úspory místa oproti samostatným CTs/VTs - klíčové pro modernizace a kompaktní GIS/AIS návrhy.
Zlepšení přesnosti a bezpečnosti: Eliminuje rizika nasycení tradičních transformátorů proudu, zlepšuje reakci na přechodné jevy (Rogowski/CVD), snižuje externí spoje a rizika.
Zjednodušení instalace: Montáž a komise jedné jednotky výrazně snižuje pracovní náklady a složitost kabelování v terénu.
Nižší náklady na životní cyklus: Snížení nákladů na instalaci, kabelování, civilní práce a údržbu.
Připravenost pro digitální stanici: Přímý výstup IEC 61850-9-2/3LE umožňuje bezproblémovou integraci do moderních systémů ochrany, řízení a monitoringu (SAS).
Platforma pro budoucnost: Modulární návrh umožňuje akomodovat se vyvíjejícím senzorovým technologiím a komunikačním standardům.
Snížení environmentálního dopadu (možnost pevné izolace): Eliminuje použití SF6 a související rizika.