
1. Основная концепция решения: модульная платформа с общей изоляцией
- Дизайн: Разработка единой модульной платформы, объединяющей функции измерения тока и напряжения в одной оптимизированной структуре.
- Изоляция: Использование общей изолирующей оболочки. Два варианта разработаны:
- Газ SF6: Доказанная высокая диэлектрическая прочность и отличные свойства гашения дуг для более высоких классов напряжения (например, 72,5 кВ и выше). Дизайн включает мониторинг плотности газа и проверенные технологии герметизации.
- Композитный корпус (твердая изоляция): Экологически устойчивое решение, использующее высококачественные полимерные материалы с силиконовыми шедами. Идеально подходит для низких и средних напряжений или там, где требуется избегать использования SF6. Оптимизировано для расстояния ползучести и защиты от загрязнений.
- Модульность: Дизайн внутренних компонентов и интерфейсов позволяет:
- Масштабируемость для различных классов напряжения (например, через регулировку длины изолятора).
- Адаптацию к специфическим требованиям интерфейса ввода.
- Возможность будущего обновления технологий датчиков.
2. Реализация интегрированных технологий измерения
- Измерение тока:
- Датчик: Высокоточные, компенсированные по температуре катушки Роговского. Выбраны для:
- Широкого динамического диапазона: Отличная линейность от малых долей номинального тока до высоких аварийных токов (например, >40 кА).
- Отсутствие насыщения: Основное преимущество перед трансформаторами тока с железным сердечником, исключающее риск насыщения при авариях.
- Легкость: Значительно снижает механическую нагрузку на общую конструкцию.
- Интеграция: Катушки стратегически расположены внутри изоляционной оболочки, концентрично с основным проводником. Надежное механическое крепление, устойчивое к вибрации.
- Измерение напряжения:
- Датчик: Высокостабильные емкостные делители напряжения (CVD) в качестве стандарта. Резистивные делители (RVD) рассматриваются для специфических DC-приложений или приложений с широкой полосой пропускания, требующих быстрого переходного отклика.
- Интеграция: Электроды CVD (низкоомные) интегрированы непосредственно в структуру изолятора. Точные электроды градации обеспечивают равномерное распределение поля и термическую/защитную стабильность. Критическое экранирование предотвращает внешнее электромагнитное воздействие.
3. Продвинутое моделирование электромагнитных полей и изоляция (критический инженерный вызов)
- Моделирование: Обязательное высокоточное 3D-моделирование методом конечных элементов (FEM) всей платформы:
- Точно характеризует внутренние электромагнитные поля при всех условиях эксплуатации (синусоидальные, переходные, искаженные формы сигналов).
- Оценивает эффекты близости от проводников, корпуса и смежных фаз.
- Минимизация взаимных помех:
- Физическое разделение: Оптимальное геометрическое расположение элементов измерения (катушек, электродов CVD) на основе результатов моделирования. Максимизация расстояния в рамках ограничений.
- Активное экранирование: Реализация заземленных электростатических экранов, стратегически расположенных между элементами датчиков на основе данных моделирования полей.
- Защитные кольца: Использование проводящих защитных колец вокруг выходов катушек Роговского для отвода перемещаемых токов.
- Точная изоляция измерений:
- Посвященные пути сигнала: Прокладка сигналов от отдельных датчиков с использованием экранированных, скрученных пар кабелей внутри корпуса сразу после захвата.
- Компенсированный дизайн цепей: Электронные цепи обработки, спроектированные с техниками компенсации взаимных помех, основаны на моделях FEM.
- Проверка: Строгие заводские испытания (включая тесты на введение гармоник) для характеристики и верификации маржинальных значений изоляции и уровня взаимных помех (< 0,1% указано).
4. Интегрированная цифровая обработка и стандартизированные интерфейсы
- Обработка сигналов на борту:
- Специализированные микросхемы с низким энергопотреблением (ASIC) или микроконтроллеры с высокой надежностью, непосредственно интегрированные на платформу датчиков или в соседний герметичный модуль.
- Функции включают: интегратор катушки Роговского, масштабирование, преобразование АЦП, вычисление гармоник (если применимо), линеаризацию, компенсацию температуры и проставление временных меток.
- Стандартизированный цифровой выход:
- Встроенные интерфейсы: Включение соответствующей цифровой выходной схемы IEC 61869 непосредственно в блок CIT.
- Протоколы: Стандартизированная поддержка:
- IEC 61850-9-2: Поток выборочных значений (SV) по Ethernet (обычно многовещание).
- IEC 61850-9-3LE: Профиль SV Lightning Edition для гарантированного низкого задержки детерминизма.
- Дополнительные опции: Предусмотрена возможность использования устаревших выходов (аналоговых, IEC 60044-8 FT3) по требованию через дополнительные модули.
- Качество данных: Интегрированная функциональность блока слияния (MU), соответствующая стандартам точности IEC 61869 (класс TPE/TPM) и синхронизации (PLL).
5. Инженерные соображения по проектированию и интеграции
- Тermal management: Модели включают анализ теплового режима. Тепловыделение от электроники активно управляемо с использованием компонентов с низким энергопотреблением, потенциально локальных радиаторов и оптимизированных путей конвекции внутри изолятора.
- Электромагнитная совместимость/электромагнитная стойкость: Применение конформного покрытия, экранированных корпусов, ферритов и оптимизированных стратегий заземления к внутренней электронике. Защита от перенапряжений, соответствующая соответствующим стандартам (IEC 61000-4-5).
- Механическая целостность: Проведен структурный анализ для сейсмических нагрузок, ветровых нагрузок, ледовых нагрузок и динамических сил при авариях. Оптимизированное использование материалов (композит/фарфор/SF6) способствует снижению сейсмической массы.
- Заводская калибровка и тестирование: Комплексная калибровка относительно эталонных стандартов (оптические/VTBI методы). Включает проверку эффективности электромагнитной изоляции, точности времени, соответствия протоколам и полномасштабное диэлектрическое тестирование.
- Срок службы и обслуживаемость: Спроектировано для минимального обслуживания (особенно для SF6 или твердой изоляции). Модульная электроника потенциально доступна и поддается тестированию без значительной разборки. Учитывается путь утилизации в конце срока службы (восстановление/переработка SF6).
Преимущества, достигнутые благодаря этому подходу к проектированию и интеграции:
- Снижение занимаемой площади: До 40-50% экономии места по сравнению с отдельными трансформаторами тока и напряжения — это критично для модернизации и компактных систем GIS/AIS.
- Улучшенная точность и безопасность: Устраняет риски насыщения традиционных трансформаторов тока, улучшает переходный отклик (Роговский/CVD), снижает количество внешних соединений и рисков.
- Упрощенная установка: Одиночная установка и ввод в эксплуатацию значительно уменьшают объем работ на месте и сложность кабельных соединений.
- Низкие затраты на жизненный цикл: Снижение затрат на установку, кабельные работы, гражданское строительство и обслуживание.
- Готовность к цифровым подстанциям: Прямой выход IEC 61850-9-2/3LE обеспечивает бесшовную интеграцию в современные системы защиты, управления и мониторинга (SAS).
- Перспективная платформа: Модульный дизайн позволяет адаптироваться к развивающимся технологиям датчиков и стандартам связи.
- Снижение воздействия на окружающую среду (вариант с твердой изоляцией): Исключает использование SF6 и связанные с ним риски.