Rogowski-tekercses árammérő rendszer tervezése és fejlesztése Fekete Ádám, Schmidt László, Szabó László, Dr. Varga László Fekete Ádám és Varga Balázs Budapest, 2013.04.24 „Transzformátorok és mérőváltók”
A zárlati méréstechnika fejlesztésese a 3D Motion Control Mérnökiroda Kft. és a VEIKI-VNL Kft. együttműködésével, a KMOP-1.1.4-09-2010-0067 számú pályázat keretein belül az Európai Unió és a Magyar Állam támogatásával valósult meg.
2
Tartalom • A zárlati áram (méréstechnikai) tulajdonsága • Zárlati áramok mérésének lehetőségei • Áramjeladók általános tulajdonsága • Rogowski-tekercses árammérés elméleti alapja • Megvalósítási követelmények • Az új mérőrendszer kialakítása • Mérési eredmények, a mérőrendszer kalibrálása
3
A zárlati áram • Erősen induktív jellegű, 90°-al késik a feszültséghez képest • Bekapcsolási időpillanattól függően DC komponenst tartalmaz
4
5
Zárlati áramok mérésének lehetőségei ÉRZÉKELŐK
• Érzékelők
AV / A K
H
– Zárlati áramváltók – Zárlati söntök
L
k ShA l
FO / A
IA
UA0
AV / B H
K
L
k ShB
l
Próbatárgy FO / B
IB
UB0
AV / C H
K
L
k ShC
l
MS
RÖGZÍTŐ
• Rögzítők FO / C UC0
IC UA0 IA
UB0 IB
UC0 IC
Tranziens rekorder
– Oszcilloszkóp – Tranziens rekorder • nagy mintavételi frekv. • sokcsatornás (6-16) • galvanikusan vagy optikailag leválasztott 6
Áramváltók • A vasmagos áramváltók telítődésre hajlamosak
• A vasmag túlméretezése szükséges, ami jelentős méret- és súlynövekedést okoz 7
Áramváltók
Mérete: 120 cm magas, 80 cm széles, Tömege: ~350 kg fix telepítésű 8
Zárlati söntök • A primer áramkör pontos ellenállású soros eleme • Működési elve: feszültségesés mérése az ellenálláson
• Hátrányai –az áramkör földelt pontjába kell elhelyezni –nagyságrendekben különböző áramok nem mérhetőek egyfajta sönttel 9
Zárlati söntök • A zárlati söntök szekunder feszültsége 2 V • kisebb szekunderfeszültség esetén romlik a mérés jel/zaj viszonya • nagyobb ellenállás választása esetén nagyobb szekunderfeszültség érhető el, ezzel javul a jel/zaj viszony, DE ebben az esetben megnő a sönt termikus disszipációja • 50 kA-es söntnél 125 kW hődisszipáció jelentkezik • Névleges árammal csak 1 s időtartamig terhelhetőek
10
Zárlati söntök Megoldás: több nagyságrendet átfogó söntkészletre van szükség (20A-50A-100A-200A-500A-1kA-2kA-5kA10kA-20kA-50kA)
50A
2kA
20kA
50kA 11
Zárlati söntök • Minél kisebb a zárlati sönt ellenállása, annál nagyobb a mérés fázishibája (τ = L / R) • 50A-es sönt esetén ~15µs, míg 50kA-es söntnél ~250µs • Koaxiális elrendezésű induktívszegény zárlati söntök alakhű jelátvitelre képesek • Hátrányuk: max. 0,1 s időtartamig terhelhetőek
12
Rogowski-tekercses árammérő rendszer fejlesztése Okok: • az áramváltók és söntök alkalmazási nehézségei • lépést kell tartani a technikai fejlődéssel • a jelenleg kapható rendszerek ára nagyon magas
13
Áramjeladók tulajdonságai Elvárások: • széles áramtartományban használhatók legyenek • a mérendő áram pillanatértékével arányos feszültségjelet szolgáltassanak tranziens zárlati áramok esetén is • költséghatékonyság
14
Áramjeladók tulajdonságai Újfajta áramjeladók: • Rogowski-tekercses • Hall-hatáson alapuló • Faraday-hatáson alapuló • Magnetorezisztív jeladó Gyárthatóság, költséghatékonyság és felhasználhatóság szempontjából a Rogowski-tekercses áramjeladók legmegfelelőbbek. 15
Rogowski-tekercses árammérés elmélete Rogowski-tekercs Klasszikus formájában egy- vagy több rétegben, egyenletes keresztmetszetű, hajlékony szigetelőmagra egyenletes sűrűséggel, szigetelt rézhuzalból tekercselt. A tekercsben indukált feszültség a mérendő áram időbeli differenciálhányadosával arányos. ∂i1 u i = M ⋅ N1 ⋅ ∂t
16
Rogowski-tekercses árammérés elmélete A mérőtekercset integrálásra alkalmas mérőáramkörhöz kell csatlakoztatni Áramjeladó Passzív áramjeladó • hálózati frekvenciás áramok csak áramintegráló kapcsolásban mérhetők megfelelő pontossággal Aktív áramjeladó • a mérőáramot elektronikus integráló erősítőbe vezetik • tápfeszültséget igényel
17
Rogowski-tekercses árammérés elmélete Passzív áramintegráló kapcsolás • a mérőtekercs nagy fajlagos
ellenállású huzalból készül • egy tekercsből és annak kapcsaira kötött kondenzátorból áll • a=R/ωL=50..100 értéket kell tartani • 50 Hz frekvencián ≈0.2 mm átmérőjű huzal szükséges 18
Rogowski-tekercses árammérés elmélete Aktív áramjeladó
A N µ0 l dI/dt
egyetlen kis hurok területe a menetszám a levegő permeabilitása a tekercs hossza a vezetőben folyó I áram időbeli differenciál hányadosa
19
Megvalósítási követelmények az áramjeladóra az IEC 60044-8 nemzetközi szabvány vonatkozik • pontossági követelmények, pontossági osztályok Elektronikus integrátorral szembeni elvárások • kis értékű és stabil offset-feszültség • nagy hőmérsékleti stabilitás • kis áramköri zaj • ideális integrátorhoz közelítő karakterisztika
20
Az új mérőrendszer kialakítása A tekercs elméleti és fizikális megvalósítása
21
Az új mérőrendszer kialakítása Az erősítő-integrátor egység elméleti és fizikális megvalósítása
Az erősítő változtatható fokozataival (1,2,5,10,20,50 kA/V) a zárlati próbák során előforduló teljes áramtartomány átfogható. 22
Az új mérőrendszer kialakítása A megvalósított integráló erősítő Bode-diagramja
0,2 Hz és 200 kHz között ideális integrátor 23
A mérőrendszer kalibrálása • Kalibrálás a 0,02% osztálypontosságú használati etalonnal 1-5 kA-es áramtartományban végeztük • A nagyobb áramtartományok fokozatainak kalibrálását a linearitás igazolása után külső feszültségforrásból végeztük. Az eredménye alapján a 0,5%-on belüli mérési pontosság 200 kA-ig terjeszthető ki. • A tranziens egyenáramú átvitel jóságának ellenőrzését koaxiális zárlati sönttel végeztük. Eredmény: szöghiba ±15 szögpercen belül van • STL (Short-circuit Testing Liasion) szervezet rendszeresen szervez sönt-összehasonlító körmérést 24
A mérőrendszer kalibrálása Referenciasönt névleges paraméterei: 140kAeffektív – 0,1s
25
Összefoglalás • Nagy zárlati áramok a telítődés miatt jelalak torzulást okozhatnak az áramváltókkal végzett mérésben • A zárlati söntök alkalmazhatósága függ a zárlati áram időtartamától, azok termikus terhelési korlátai miatt • A nagysebességű adatrögzítők megjelenésével szükségessé vált a pontos egyenáramú tranziens átvitelére alkalmas árammérő elemek fejlesztése is • A 3D Motion Control Mérnökiroda Kft. és a VEIKI-VNL Kft. együttműködésének eredményeképpen több háromfázisú és egy egyfázisú Rogowski-tekercses árammérő rendszer került bevezetésre a zárlati áramok mérésének mindennapjaiba
26
Köszönjük a figyelmet!
[email protected] [email protected]
27
