Technologie

Kombinowany sensor prądowo-napięciowy dla rozdzielnic średniego napięcia

W artykule przedstawiono kombinowany sensor prądowo-napięciowy składający się z przetwornika prądowego pracującego na zasadzie cewki Rogowskiego oraz rezystancyjnego dzielnika napięcia. Sygnały wyjściowe przetwornika prądowego oraz sensora napięciowego w postaci dzielnika rezystancyjnego są przetwarzane na postać cyfrową w układzie elektronicznym zintegrowanym z przetwornikiem prądowym a następnie są transmitowane
za pomocą światłowodu. Przedstawiono konstrukcję kombinowanego sensora oraz jego podstawowe parametry metrologiczne.

Wstęp

Wymagania stawiane układom zasilania w energię elektryczną dotyczą przede wszystkim ich niezawodności ale również w coraz większym stopniu jakości energii. Wśród wskaźników jakości energii istotną rolę odgrywa zawartość harmonicznych napięć oraz prądów fazowych. Stosowane w tradycyjnych rozwiązaniach rozdzielnic napięciowe oraz prądowe transformatory pomiarowe posiadają ograniczone pasmo pomiarowe, poniżej 2 kHz, a więc za ich pomocą nie jest możliwe wyznaczenie zawartości harmonicznych do 40 rzędu jak to jest wymagane przez normę dotyczącą jakości energii w sieciach zasilających [1].

Sensory napięcia w postaci dzielników rezystancyjnych oraz przetworniki prądowe w postaci cewek Rogowskiego zastępują w sieciach SN konwencjonalne pomiarowe przekładniki transformatorowe oferując lepsze parametry pomiarowe takie jak dynamika, liniowość oraz pasmo pomiarowe, a przy tym są mniejsze, lżejsze i tańsze.
Bezrdzeniowe przetwornik prądowe pracujące na zasadzie cewki Rogowskiego są od ponad 15 lat rozwijane w Instytucie Tele- i Radiotechnicznym. Instytut oferuje przetworniki o szerokiej gamie wymiarów i wartości współczynnika przetwarzania [2,3,4]. Zostały również opracowane przetworniki o konstrukcji rozłączalnej oraz przetworniki kompensowane temperaturowo.

Nowoczesne trendy w konstrukcji rozdzielnic dążą do jak najwcześniejszej zamiany mierzonego sygnału prądowego bądź napięciowego z postaci analogowej do postaci cyfrowej. Sygnał w postaci cyfrowej można przesyłać bez utraty jego jakości na duże odległości i w przeciwieństwie do sygnału analogowego można go zapamiętywać w celu późniejszej obróbki.

Kombinowany sensor prądowo-napięciowy

W Instytucie Tele- i Radiotechnicznym opracowano kombinowany sensor prądowo-napięciowy składający się z rezystancyjnego sensora średniego napięcia oraz bezrdzeniowego przetwornika prądowego pracującego na zasadzie cewki Rogowskiego zintegrowany z elektronicznym układem przetwarzania oraz transmisji danych cyfrowych, rys. 1. Elektroniczny układ przetwarzania oraz transmisji danych znajduje się w tej samej obudowie co prądowy przetwornik bezrdzeniowy, natomiast sygnał analogowy z sensora napięciowego jest doprowadzony kablem (gniazdo V SENSOR IN) do układu przetwarzania.

Rys. 1 Kombinowany sensor prądowo-napięciowy

Sensor rezystancyjny średniego napięcia współpracuje z głowicami konektorowymi zgodnymi z normami PN-EN 50180 i PN-UN 50181 – jest to najpopularniejszy w Polsce interfejs C, 630A, oraz z głowicami asymetrycznymi, np. firmy NKT CB-24, CC-24 lub Raychem/TE Connectivity RSTI-CC58xx i RSTI 58xx.

Sensor rezystancyjny w dwóch różnych wykonania został pokazany na rysunku 2, gdzie z lewej strony widać Sensor z serii UR56 dedykowany do głowic asymetrycznych, a z prawej strony sensor z serii UR90, do głowic zgodnych z normą PN-EN 50180 i PN-UN 50181.

Rys. 2 Sensor rezystancyjny na 24 kV do głowic konektorowych oraz głowic konektorowych

Sensor napięciowy jest przewidziany do współpracy z urządzeniami pomiarowymi i zabezpieczeniowymi. Dzięki użyciu precyzyjnych rezystorów w układzie dzielnika rezystancyjnego, sensor umożliwia dokładne pomiary w szerokim zakresie napięć oraz częstotliwości sieci.

Sensor może być przystosowany do pomiaru napięć o różnych nominałach, od 6 kV do 24 kV. Stopień podziału dzielnika sensora jest każdorazowo tak dobierany aby napięcie na wyjściu było równe 3,25 V dla napięcia wejściowego równego nominałowi. Wartość 3,25 V dyktuje norma PN-EN 61869-11 dotycząca przetworników do pomiarów średnich napięć. Liniowość sensora stwarza możliwość stosowania sensora o jednym stopniu podziału w całym praktycznie spotykanym zakresie napięć w sieciach średniego napięcia – od 6 kV do 24 kV. Wymagana jest do tego odpowiednia dynamika układu przetwarzania sygnału z sensora. Przy dynamice układu pomiarowego równej 12 bitów, jednym sensorem można mierzyć napięcie do 24 kV z rozdzielczością lepszą niż 10 V, a przy układzie 16 bitowym z rozdzielczością lepsza niż 2 V.

Bezrdzeniowy przetwornik prądowy, rys. 3, znajduje się we wspólnej obudowie z układem przetwarzania i transmisji danych pomiarowych. Zasilanie zespołu sensorów odbywa się przez gniazdo RJ 45. Dane są przesyłane za pomocą światłowodu (gniazdo DATA OUT).

Rys. 3 Widok zewnętrzny przetwornika prądowego

Układ przetwarzania może pracować z własnym źródłem generującym sygnał taktujący układu próbkowania jak również z zewnętrznym źródłem takiego sygnału. Dzięki temu jest możliwość synchronicznego próbkowania wszystkich sygnałów napięć i prądów fazowych w rozdzielni.

Rys. 4 Uproszczony schemat dzielnika rezystancyjnego sensora napięciowego

Konstrukcja sensora napięciowego

Sensor rezystancyjny jest w istocie dzielnikiem rezystorowym, rys. 2, umieszczonym w izolatorze o odpowiednim kształcie i parametrach. W układzie zastępczym dzielnika pojemności C1 i C2 reprezentują pasożytnicze pojemności równoległe rezystorów R1 i R2. Sensor zawiera również układ iskiernika gazowego, chroniący przed pojawieniem się na wyjściu sensora napięcia większego niż 75 Vpp, układy kompensacji częstotliwościowej oraz obwód korekcji rozrzutu wartości elementów dzielnika. Korekcję dokonuje się ze względu na rozrzut rezystancji głównego rezystora wysokonapięciowego R1.

Konstrukcja przetwornika prądowego

Przetwornik prądowy jest wykonany w technologii wielowarstwowych obwodów drukowanych, rys. 5. Jest on wyczerpująco opisany w literaturze [2,3,4]. Ze względu na mały poziom sygnału wyjściowego przetwornika bezrdzeniowego (typowo 1 mV dla prądu mierzonego o wartości 1 A) układ przetwarzania został umieszczony w bezpośredniej bliskości przetwornika.

Rys. 5 Konstrukcja przetwornika prądowego wraz z układem przetwarzania

Bezrdzeniowy przetwornik prądowy pracujący na zasadzie cewki Rogowskiego charakteryzuje się znakomitymi parametrami metrologicznymi [2,3,4]. Dokładność pomiaru prądu, szerokość pasma pomiarowego zależą wyłącznie od elektronicznego układu przetwarzania analogowego sygnału wyjściowego przetwornika. Inaczej ma się sprawa z sensorem napięciowym. Liniowość sensora wynika ze stałości rezystorów tworzących dzielnik napięciowy i jest bardzo dobra, z błędem nie większym od 0,1%. Trudniej jest zapewnić odpowiednią szerokość pasma pomiarowego sensora.

Kompensacja częstotliwościowa sensora napięciowego

Rezystory tworzące dzielnik sensora, zwłaszcza rezystor wysokonapięciowy zatopiony w izolatorze, nie są elementami idealnymi. W zakresie częstotliwości w jakim pracuje sensor indukcyjności pasożytnicze rezystorów nie mają znaczenia, ma znaczenie natomiast pasożytnicza pojemność równoległa rezystora wysokonapięciowego. Dla typowych wartości elementów dzielnika: R1  = 100 MΩ , R2 = 13,545 kΩ, C1 = 3,5 pF, C2 = 0,5 pF, błąd amplitudy dla wyższych harmonicznych w sensorze nie skompensowanym częstotliwościowo jest bardzo duży – dla 10 harmonicznej osiąga 50% i nawet dla 50 Hz przekracza 0,5 % w stosunku do wartości dla DC.

Kompensacja częstotliwościowa polega na dołączeniu dodatkowej pojemności Ck równolegle do pojemności C2.
Ck dobiera się tak aby była spełniona zależność

(1) 

Zależność (1) pokazuje, że dla wyznaczenia Ck konieczna jest znajomość C1. C1 zależy od konstrukcji rezystora wysokonapięciowego – z reguły producenci nie podają jej wartości. W praktyce trudno jest zmierzyć wartość pojemności C1 z dużą dokładnością – lepszą niż 10 % – za pomocą dedykowanego do tego celu miernika. Pojemność C1 wyznacza się na podstawie pomiaru charakterystyki częstotliwościowej dzielnika. Sensor napięciowy po przeprowadzeniu procesu kompensacji charakteryzuje się błędem amplitudy mniejszym niż 1% dla harmonicznych poniżej 40 rzędu.

Właściwości temperaturowe

Ponieważ sensor rezystancyjny ma pracować w szerokim zakresie temperatur, istotne staje się oszacowanie wpływu temperatury na dokładność sensora. Znaczenie ma współczynnik temperaturowy rezystora wysokonapięciowego, gdyż rezystory w dolnej gałęzi dzielnika są dostępne w wersji kompensowanej temperaturowo. Według materiałów producenta stosowanego rezystora, współczynnik zmian rezystancji rezystora wysokonapięciowego w funkcji temperatury przebiega w sposób pokazany na rysunku 7.

Rys. 6 Charakterystyka temperaturowa zmian rezystancji rezystora wysokonapięciowego (mat. firmy Nicrom)

Po przeliczenia wpływu zmian temperatury na stopień podziału dzielnika sensora oraz po uwzględnieniu deklarowanej wartości współczynnika temperaturowego dla użytego rezystora, opracowana została i pokazana na rysunku 7 charakterystyka błędu sensora w funkcji temperatury.

Rys. 7 Wykres błędu sensora napięciowego w funkcji temperatury

Wytrzymałość izolacji oraz pomiar wyładowań niezupełnych

Produkowane przez ITR sensory napięciowe spełniają warunki narzucone przez normę PN-EN 61869-11. W szczególności przechodzą następujące badania:

  • Próba napięciowa 50 kV/ 1 min.
  • Udar napięciem stałym 125 kV 1.2µs
  • Próba 1,9 Un przez 8 godzin

Sensory napięciowe są również poddawane badaniom na wyładowania niezupełne. Przykładowy wynik takiego badania przedstawiono na rysunku 8. Badania wyładowań niezupełnych pokazują, że zalane w izolatorze dzielniki rezystancyjne mieszczą się w zakresie dopuszczalnych wyładowań niezupełnych (<50 pC) określonych przez normę PN-EN 61869-11.

Podsumowanie

Kombinowany sensor prądowo-napięciowy jest nowoczesnym rozwiązaniem dedykowanym współczesnym rozdzielnicom cyfrowym. Spełnia wymagania stosownych norm [5,6,7,8,9,10,11]. Umożliwia dokładny pomiar prądów w zakresie od 0.1 A do 100 kA oraz napięć fazowych średniego napięcia w zakresie częstotliwości do 2 kHz. Sensor napięciowy spełnia wymagania odpowiednich norm, zwłaszcza w zakresie izolacji, wytrzymałości napięciowej i wyładowań niezupełnych. Dokładność sensora prądowego i napięciowego w zakresie częstotliwości podstawowej oraz wyższych harmonicznych daleko przekraczają dokładności uzyskiwane za pomocą klasycznych, dużo większych i droższych przekładników transformatorowych.

Rys. 8 Wynik badania na wyładowania niezupełne

Autorzy:

dr inż. Leszek Książek, Grzegorz Kowalski, mgr inż. Adam Kalinowski, dr inż. Aleksander Lisowiec, mgr inż. Andrzej Gacek

Literatura:

  1. PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
  2. A. Lisowiec, G. Kowalski, Analiza wpływu geometrii przetworników prądowo-napięciowych na ich parametry elektryczne, Wiadomości Elektrotechniczne, 06/2014
  3. A. Lisowiec, G. Kowalski, Bezrdzeniowe przetworniki prądowe o konstrukcji rozłączalnej, Wiadomości Elektrotechniczne, 09/2014
  4. A. Lisowiec, M. Andrzejewski, Nowoczesne sensory prądowe w rozdzielnicach energetycznych, Elektro.info, 4/2014
  5. PN-EN 50180-1 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A
    do 3,15 kA do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną Część 1: Ogólne wymagania dla izolatorów przepustowych
  6. PN-EN 50180-2 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 3,15 kA
    do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną Część 2: Wymagania dla części składowych izolatorów przepustowych
  7. PN-EN 50180-3 Izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 3,15 kA do transformatorów napełnionych cieczą izolacyjną Część 3: Wymagania dotyczące mocowania izolatorów przepustowych
  8. PN-EN 50181 Wtykowe izolatory przepustowe na napięcia powyżej 1 kV aż do 52 kV oraz prądy od 250 A do 2,5 kA do urządzeń innych niż transformatory napełnione cieczą
  9. PN-EN 60044-7 Przekładniki Część 7: Przekładniki napięciowe elektroniczne
  10. IEC 61869-6 Instrument transformers – Part 6: Additional general requirements for low-power instrument transformers
  11. IEC 61869-11 draft Instrument transformers – Part 11: Additional requirements for low power passive voltage transformers

 

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top