Датчики как альтернативные
В качестве альтернативы традиционным методам измерения первичного тока и напряжения использование сенсорной техники набирает силу. Этот метод обычно применяется для измерения тока и напряжения в закрытых распределительных устройствах с металлическим корпусом среднего напряжения.
Датчики тока и напряжения в качестве альтернативы традиционным КТ и ВТ (на фото: Токовые датчики типа KECA 80 Cxxx предназначены для использования при измерении тока в распределительном устройстве среднего напряжения с воздушным изолятором UniGear ZS1 12 / 17, 5 кВ)
Существует множество неоспоримых преимуществ с датчиками по сравнению с традиционными решениями:
- Non-насыщающийся
- Высокая степень точности
- Безопасность персонала
- Широкий динамический диапазон
- Небольшие физические размеры и вес
- Возможность комбинирования измерения тока и напряжения в одном физическом устройстве с компактными размерами
- Экологичность (требуется меньше сырья)
Вышеприведенные утверждения более подробно рассматриваются в следующих параграфах при введении методов датчиков и фактического соответствующего устройства. Скажем, слово о каждом типе датчика и некоторый вывод в конце:
- Датчики тока
- Датчики напряжения
- Комбинированные датчики
- Заключение и ответ на вопрос, почему датчики не являются 100% альтернативными
Датчики тока
Измерение тока основано на принципе катушки Роговского. Катушка Роговского представляет собой тороидальную катушку без железного сердечника. Катушка размещается вокруг токопроводящего первичного проводника. Выходной сигнал от катушки представляет собой сигнал напряжения, пропорциональный производной от первичного тока.
Затем сигнал интегрируется во вторичное устройство для получения сигнала, пропорционального форме первичной волны тока.
Поскольку не используется железный сердечник, в отличие от традиционных трансформаторов тока не происходит насыщения.
Традиционный трансформатор тока с замкнутым контуром создает опасные напряжения на вторичной стороне и приводит к серьезной перегрузке трансформатора. Поскольку выходной сигнал от датчика тока является сигналом напряжения, обрывочные вторичные условия не приводят к опасной ситуации ни к людям, ни к аппарату.
Рисунок 1 - Принцип измерения тока на основе катушки Роговского
Передаваемый сигнал представляет собой напряжение:
U out = M · di p / d t
Для синусоидального тока в установившемся режиме напряжение равно:
U out = M · j · ω · I p
При использовании традиционных трансформаторов тока отношение КТ фиксируется на одно значение или в случае многокомпонентных ТТ до нескольких значений. Эти значения выбираются в соответствии с конкретными потребностями приложения и токами нагрузки.
В результате одно, например, первичное распределительное устройство среднего напряжения, обычно требует нескольких типов КТ.
С датчиком тока ситуация проще, поскольку один тип датчика охватывает диапазон первичных токов, и в оптимальном случае вся установка может быть покрыта только одним типом.
Чтобы дать представление о уровне сигнала вторичного напряжения, одна фиксированная точка (отношение) внутри диапазона номинального тока может составлять 400 А, что обычно соответствует уровню вторичного сигнала 150 мВ.
Рисунок 2 - Пример номинального диапазона тока датчика
Проблемы, связанные с насыщающим железным сердечником в обычных трансформаторах тока, могут быть преодолены с помощью сенсорной технологии. На приведенном ниже рисунке показана разница между характеристиками вторичного сигнала как для традиционного трансформатора тока, так и для датчика тока.
Рисунок 3 - Принципиальное сравнение характеристик вторичного сигнала датчика тока и тока трансформатора как функции комбинированной ошибки (ε) и первичного тока (IP)
Из-за компактного размера датчика тока (без железного сердечника) есть лучшие возможности для интеграции измерительных устройств в другие конструкционные части распределительного устройства с металлическим корпусом.
Примером такой возможности может быть интеграция датчика внутри кабельных соединений среднего напряжения.
Рисунок 4 - Слева датчик тока внутри разъема кабельного разъема и справа датчик тока внутри обычного корпуса
Вернуться к видам ↑
Датчики напряжения
Измерение напряжения основано на делителе напряжения. Доступны два основных типа: емкостной и резистивный. Выходной сигнал в обоих случаях представляет собой сигнал низкого уровня напряжения. Выходной сигнал линейный во всем диапазоне измерений.
Соображения и методы защиты от феноменов феррорезонанса, обсуждаемые с традиционными трансформаторами напряжения, не применимы к датчикам напряжения.
Рисунок 5 - Два основных принципа реализации датчика напряжения
Как и датчики тока, а также датчики напряжения, можно охватить определенный диапазон напряжения одним датчиком. Чтобы дать представление о уровне сигнала вторичного напряжения, одна фиксированная точка (отношение) внутри диапазона номинального напряжения может составлять первичное значение 20000 / √3 В, обычно соответствующее уровню вторичного сигнала 2 / √3 В.
Рисунок 6 - Реализации датчика напряжения. Слева специальный датчик напряжения, а справа датчик расположен внутри опорного изолятора
Вернуться к видам ↑
Комбинированные датчики
Решение датчика достаточно компактно и экономично, можно комбинировать как датчики тока, так и напряжения в одном физическом устройстве. Это устройство может быть частью механической базовой конструкции распределительного устройства, имеющие другие функции помимо измерения, как быть частью среднего напряжения концевой заделки кабеля или опорной конструкции сборных шин.
Эти функции дают новые возможности для проектирования конструкций распределительных устройств, которые строятся в соответствии с конкретными потребностями клиентов, а с другой стороны, они помогают в стандартизации для массового типа распределительных устройств.
Рисунок 7 - Комбинированный датчик тока и напряжения, действующий также в качестве изолятора сборной шины
Вернуться к видам ↑
Вывод и сравнение
Особенности метода измерения датчиков по сравнению с традиционным подходом кратко кратко изложены на рисунке ниже.
Можно также спросить, почему сенсорный подход не полностью перешел на традиционный подход, по крайней мере, когда речь заходит об распределительном устройстве среднего напряжения. Это очень важный вопрос, и можно дать несколько ответов в зависимости от точки зрения человека, отвечающего.
| Особенность | CT / VT | датчиков |
| сигнал | 1/5 A / 100/110 В | 150 мВ / 2 В |
| Вторичные кабели | Быть добавленным | Включено и протестировано |
| линейность | нет | да |
| насыщение | да | нет |
| Ferro-резонанс | Да (VT) | нет |
| Температурный коэффициент | нет | Включительно в точности |
| EMC | нет | Экранированный |
| Короткозамкнутый вторичный | Разрушающий (VT) | Безопасно |
| Открытый вторичный | Разрушающий (КТ) | Безопасно |
| вес | 40-60 кг (CT + VT) | 2-25 кг (комбинированный) |
| Возможна стандартизация | Ограниченное | Более широкие возможности |
Не вдаваясь в эту дискуссию, любой более глубокий, один правильный аргумент - ограниченный выбор подключаемых к датчику вторичных устройств, отличных от защитных реле (IED).
Вернуться к видам ↑
Ссылка // Справочник по автоматизации распространения (прототип) - ABB