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 H H H MS RÖGZÍTŐ ÉRZÉKELŐK U A0 AV / A K L k Sh A l FO / A AV / B K L k Sh B l FO / B AV / C K L k Sh C l FO / C I A I I I A B C Tranziens rekorder U A0 U B0 U C0 U B0 I B U C0 I C Próbatárgy Érzékelők Zárlati áramváltók Zárlati söntök Rögzítők 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-5kA- 10kA-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
Elvárások: Áramjeladók tulajdonságai 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. u i M N i t 1 = 1 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 egyetlen kis hurok területe a menetszám µ 0 a levegő permeabilitása l di/dt 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! adamfkt@gmail.com bvarga@vnl.hu 27