Rozwiązanie zintegrowanego transformatora pomiarowego (CIT): Perspektywa inżynieryjnego projektowania i integracji

1. Podstawowe koncepcje rozwiązania: modułowa platforma z wspólną izolacją

Projekt: Rozwój unifikowanej, modułowej platformy obejmującej funkcje pomiaru prądu i napięcia w jednej zoptymalizowanej strukturze.
Izolacja: Użycie wspólnej obudowy izolacyjnej. Zostały zaprojektowane dwie opcje:

Gaz SF6: Udowodniona wysoka wytrzymałość dielektryczna i doskonałe właściwości gaszenia łuków dla wyższych klas napięć (np. 72,5 kV i powyżej). Projekt obejmuje monitorowanie gęstości gazu i udokumentowaną technologię szczelności.
Złożona obudowa (solidna izolacja): Ekologiczne rozwiązanie wykorzystujące materiały polimerowe wysokiej jakości z opleśnieniami silikonowymi. Idealne dla niższych i średnich napięć lub tam, gdzie wymagana jest unikanie SF6. Zoptymalizowane pod kątem odległości pełzania i odporności na zanieczyszczenia.

Modularność: Projektowanie wewnętrznych komponentów i interfejsów umożliwiających:

Skalowalność w różnych klasach napięć (np. poprzez dostosowanie długości izolatora).
Dostosowanie do konkretnych wymagań interfejsu bushingu.
Potencjał do przyszłych uaktualnień technologii czujników.

2. Wdrożenie zintegrowanej technologii pomiarowej

Czujnik: Cewki Rogowskiego o wysokiej dokładności i kompensacji temperatury. Wybrane ze względu na:

Szeroki zakres dynamiczny: Doskonała liniowość od małych ułamków nominalnego prądu do wysokich prądów uszkodzeniowych (np. >40 kA).
Brak nasycenia: Podstawowa zaleta nad transformatorami prądowymi z rdzeniem żelaznym, eliminująca ryzyko nasycenia podczas uszkodzeń.
Lekka waga: Istotnie zmniejsza naprężenia mechaniczne całej konstrukcji.

Integracja: Cewki umieszczone strategicznie w obudowie izolacyjnej, współśrodkowo z przewodem głównym. Bezpieczne zamocowanie mechaniczne odpornie na wibracje.

Czujnik: Stabilne podziałnice napięciowe kondensacyjne (CVD) jako standard. Podziałnice oporne (RVD) rozważane dla specyficznych aplikacji DC lub szerokopasmowych, wymagających szybkiej odpowiedzi na przejściowe zjawiska.
Integracja: Elektrody czujnika CVD (niskoprzewodowe) zintegrowane bezpośrednio w strukturę izolatora. Dokładne elektrody gradacyjne zapewniają jednorodne rozłożenie pola i stabilność termiczną/pozwalają na odporność na zanieczyszczenia. Krytyczne ekranowanie zapobiega interferencji zewnętrznego pola.

3. Zaawansowane modelowanie pola elektromagnetycznego i izolacja (kluczowe inżynierskie wyzwanie)

Modelowanie: Obowiązkowe, wysokiej wierności 3D modelowanie metody elementów skończonych (FEM) całej platformy:

Dokładne charakteryzowanie wewnętrznych pól elektromagnetycznych we wszystkich warunkach pracy (sinusoidalnych, przejściowych, zniekształconych form fali).
Ocena efektów bliskości od przewodów, obudowy i sąsiednich faz.

Fizyczne oddzielenie: Optymalne geometryczne rozmieszczenie elementów czujników (cewek, elektrod CVD) na podstawie wyników modelowania. Maksymalizacja odległości w granicach ograniczeń.
Aktywne ekranowanie: Implementacja zazemblonych elektrostatycznych tarcz umieszczonych strategicznie między elementami czujników na podstawie danych symulacji pola.
Pierścienie ochronne: Użycie przewodzących pierścieni ochronnych wokół wyjść cewek Rogowskiego, aby odprowadzać prądy przesunięcia.

Wyłączone ścieżki sygnałowe: Routing sygnałów z indywidualnych czujników przy użyciu ekranowanych, splątanych par kablowych wewnątrz obudowy natychmiast po ich uchwyceniu.
Kompensowany projekt obwodu: Układy elektroniczne do obróbki zaprojektowane z technikami anulowania przecieku sygnałów na podstawie modeli FEM.
Walidacja: Surowe testy fabryczne (w tym testy wstrzykiwania harmonicznych) do charakteryzowania i weryfikowania marginesów izolacji i poziomów przecieku sygnałów (< 0,1% określone).

4. Zintegrowana przetwarzanie cyfrowe i standaryzowane interfejsy

Dedykowane, niskonapędowe ASIC-i lub mikrokontrolery o wysokiej niezawodności bezpośrednio zintegrowane na platformie czujnika lub sąsiednim hermetycznym module.
Funkcje obejmują: integrator cewek Rogowskiego, skalowanie, konwersję ADC, obliczanie harmonicznych (jeśli dotyczy), liniaryzację, kompensację temperatury i oznaczanie czasu.

Zintegrowane interfejsy: Wbudowanie obwodów cyfrowego wyjścia zgodnych z IEC 61869 bezpośrednio w jednostce CIT.
Protokoły: Standardowa obsługa:

IEC 61850-9-2: Strumień wartości próbkowanych (SV) przez Ethernet (zwykle multicast).
IEC 61850-9-3LE: Profil SV Lightning Edition zapewniający gwarantowaną deterministyczną niską opóźnienia.

Dodatkowe opcje: Dostępność wyjść historycznych (analogowych, IEC 60044-8 FT3) tam, gdzie wymagane, poprzez opcjonalne moduły.

Jakość danych: Zintegrowana funkcjonalność jednostki scalającej (MU) spełniająca odpowiednie standardy dokładności IEC 61869 (klasy TPE/TPM) i synchronizacji czasu (PLL).

5. Inżynierskie zagadnienia projektowe i integracyjne

Zarządzanie termiczne: Modele obejmują analizę wydajności termicznej. Wydzielanie mocy z elektroniki aktywnie zarządzane przy użyciu komponentów o niskim poborze energii, potencjalnych lokalnych promieni ciepła i zoptymalizowanych ścieżek konwekcji wewnątrz izolatora.
Trwałość EMC/EMI: Zastosowanie pokrycia konformalnego, zabezpieczonych obudów, ferritów i zoptymalizowanych strategii zazemlenia do wewnętrznych elektronik. Ochrona przed przepięciami zgodna z odpowiednimi standardami (IEC 61000-4-5).
Całkowita integralność mechaniczna: Analiza strukturalna dla obciążeń sejsmicznych, obciążeń wiatrem, oblodzenia i sił dynamicznych podczas uszkodzeń. Optymalne wykorzystanie materiałów (kompozytów/porcelany/SF6) przyczynia się do mniejszej masy sejsmicznej.
Kalibracja i testy fabryczne: Kompleksowa kalibracja w stosunku do standardów referencyjnych (metody optyczne/VTBI). Obejmuje weryfikację skuteczności izolacji EM, dokładności czasu, zgodności protokołów i pełnomocne testy dielektryczne.
Cykl życia i serwisowanie: Zaprojektowane do minimalizacji konserwacji (zwłaszcza SF6 lub solidnej izolacji). Modułowe elektroniki potencjalnie dostępne/testowane bez dużej rozmontowywania. Przemyślano ścieżki usuwania w końcowej fazie użytkowania (odzysk/recykling SF6).

Korzyści uzyskane dzięki temu podejściu projektowemu i integracyjnemu:

Zmniejszenie powierzchni: Do 40-50% oszczędności miejsca w porównaniu z osobnymi CT/VT – kluczowe dla modernizacji i zwartych projektów GIS/AIS.
Poprawa dokładności i bezpieczeństwa: Eliminuje ryzyko nasycenia tradycyjnych CT, poprawia odpowiedź przejściową (Rogowski/CVD), redukuje zewnętrzne połączenia/ryzyko.
Uproszczenie montażu: Montaż i wprowadzenie do użytku jednej jednostki znacznie zmniejsza pracę terenową i złożoność kablowania.
Niższe koszty cyklu życia: Redukcja kosztów instalacji, kablowania, prac budowlanych, kosztów konserwacji.
Gotowość do cyfrowych stacji: Bezpośrednie wyjście IEC 61850-9-2/3LE umożliwia łatwą integrację z nowoczesnymi systemami ochrony, sterowania i monitorowania (SAS).
Platforma przyszłościowa: Modułowy projekt umożliwia adaptację do ewoluujących technologii czujników i standardów komunikacji.
Zmniejszenie wpływu na środowisko (opcja solidnej izolacji): Eliminuje użycie SF6 i związane z nim ryzyko.