Masurarea curentilor la tensiuni mari

Masurarea curentilor la tensiuni mari

Pentru masurarea curentilor la inalta tensiune se folosesc, de regula, dispozitive si senzori care permit izolarea galvanica fata de conductorul prin care circula curentul de masurat (I_x), cum sunt transformatoarelor de curent (inchise sau de tip cleste), de joasa sau de inalta frecventa, apoi senzorii cu efect Hall si cu efect Faraday.

1. Transformatoare de curent

a) Transformatoare de curent cu miez din tole

Sunt cele mai precise si mai utilizate dispozitive pentru masurarea lui I_x in retelele de joasa, medie si inalta tensiune. La acestea problema critica o constituie izolatia dintre primar si secundar. Pentru tensiuni medii (6, 30, 60 kV) izolatia e construita din rasini epoxidice, iar la tensiuni inalte (110, 220, 400 kV) din ulei.

Principalul neajuns al acestor transformatoare il constituie gabaritul si masa, la care trebuie adaugat si viteza de raspuns foarte redusa.

b) Transformatoare de curent de inalta frecventa

Se construiesc pe tor de ferita, tor bucsat cu un izolator din teflon si ecranat electromagnetic. Conductorul purtator de curent, care constituie primarul, este trecut prin bucsa de teflon.

Performante:

curenti nominali: 10, 30, 100 A;

tensiuni: 1 - 30 kV;

banda: 50 kHz - 50 MHz.

2. Senzori de curent magnetooptici

Se bazeaza pe efectul Faraday si prezinta avantajul ca permit masurarea curentului (I_x) fara contact cu firul de transport de inalta tensiune, iar distanta de izolare fata de acest fir poate fi de ordinul metrilor (1-10 m), adica mult mai mare decat in cazul ampermetrelor cu efect Hall. Exista doua variante de baza: cu bobina sau cu baza si se mai numesc si senzori Faraday.

a) Senzori Faraday cu bobina

Schema de principiu a unui astfel de senzor este foarte asemanatoare cu cea a senzorului de tensiune cu efect Kerr, asa cum se arata in fig.5.24, unde CF reprezinta celula Faraday. Aceasta este un cilindru din material transparent si izotrop pe care se afla bobina parcursa de curentul de masurat (I_x), bobina ce produce un camp magnetic avand inductia B paralela cu axul optic al cilindrului.

Efectul Faraday

Un corp transparent si izotrop aflat intr-un camp magnetic ce are inductia B paralela cu axul optic al corpului respectiv, provoaca o rotire a planului de polarizare al unei raze de lumina monocromatica polarizata liniar (f_p), cu un unghi (m₃=const):

b r l B=m₃ B, (5.52)

relatie in care r este constanta lui Verdet (in rad/Tm), l lungimea drumului optic (m), iar B inductia (T). Sensul de rotire depinde de sensul vectorului inductiei B, dar este independent de sensul razei de lumina.

Functionare

Curentul masurat (I_x), trecand prin bobina celulei Faraday (CF), produce un camp magnetic a carui inductie (m₄=const):

B=m₄ I_x , (5.53)

este coliniara cu directia lui f_r. Acest camp magnetic roteste planul de polarizare al razei f_r, dupa (5.52), relatie care asociata cu (5.4), (5.6) si (5.53) conduce la expresia (m=const):

U₂=m I_x ; m=m₁ m₂ m₃ m_4, (5.54)

ce reprezinta ecuatia de functionare a senzorului Faraday.

Observatie

Dupa cum s-a mentionat la relatia (5.52), polaritatea tensiunii U₂ depinde numai de sensul lui I_x si este independenta de sensul razei de lumina f_r

Parametri de calitate

Distanta de izolare

Este principalul parametru de calitate al senzorului Faraday. Este asigurata de catre fibra optica (FO) si poate fi d=3 - 10 m si chiar mai mare, asigurand astfel o izolare foarte buna, sigura si ieftina.

Limita superioara de masura (I_xn)

Este hotarata de catre diametrul conductorului bobinei, care din motive tehnologice, trebuie sa fie sub 5 - 8 mm diametru, ceea ce conduce, admitand o densitate de curent de 2A/mm², la I_xn<10 - 30 A, adica acest tip de ampermetru este pentru curenti mici.

Domenii de frecvente

Efectul Faraday, ca si efectul Kerr, este, practic, fara inertie, ceea ce ar permite lucrul pana la frecvente foarte inalte. In realitate, limita superioara a benzii la acest tip de senzor se opreste la ordinul sutelor de kHz, din cauza bobinei CF.

Precizie

Se poate arata ca eroarea de baza a senzorului Faraday cu bobina (fig.5.27):

, (5.55)

este in jur de 1,5 - 2,5 % c.s., ceea ce asigura o precizie suficient de buna pentru masurari obisnuite de curenti la inalta tensiune, insuficienta pentru operatii de etalonare. O precizie sensibil mai buna se poate obtine prin metoda compensarii cu urmarire, metoda utilizata, de exemplu, si la clestele ampermetric cu efect Hall.

b) Ampermetru Faraday pe principiu compensarii

Schema de principiu a unui astfel de ampermetru este prezentata in fig.5.25. Se observa ca are doua celule Faraday (CF_x si CF₂) formate pe acelasi miez optic (MO). Prima celula (CF_x) dezvolta tensiunea magnetomotoare n₁I_x si care roteste planul de polarizare cu unghiul b_x, iar CF₂ tensiunea magnetomotoare n₂I₂ care roteste planul de polarizare cu unghiul b de semn contrar. Echilibrul se stabileste cand b_x b =0, ceea ce inseamna ca b_x b si deci n₁I_x =n₂I₂, relatie in care n₁ si n₂ reprezinta numarul de spire ale bobinelor CF_x si respectiv CF₂. Aceasta relatie poate fi scrisa in forma:

, (5.56)

care arata ca se pot masura curenti I_x de ordinul zecilor de A cu ajutorul unui curent de compensare I₂ de ordinul zecilor de mA (n₂/n₁=1000).

Insa principalul avantaj al aparatului il constituie precizia de masurare mult mai buna, deoarece aici eroarea de baza se reduce, practic, la eroarea de baza a milivoltmetrului (mA). Aceasta eroare este 1 - 1,5 % c.s. in cazul mA analogic si coboara la 0,2 - 0,3 % in cazul unui mA

numeric. O precizie de 0,5 % este suficient de buna pentru operatii de etalonare sau verificare a senzorilor Faraday directi.

Observatie

Expresia (5.56) reprezinta si ecuatia de functionare a unui transformator ideal de curent. La o astfel de ecuatie se poate ajunge si pe calea compensarii electronice a curentului de magnetizare al transformatoarelor de curent cu tole. Insa fata de aceasta solutie, ampermetrul Faraday compensat prezinta avantajul de a oferi si o izolare galvanica mult mai buna, mai simpla si mai sigura decat la transformatoarele de curent.

c) Senzori Faraday cu bara

Constructiv forma acestora se aseamana cu a transformatorului de curent de inalta frecventa la care primarul il constituie conductorul ce transporta curentul masurat.

Schema de principiu a unui astfel de senzor este prezentata in fig.5.26, a unde Cu reprezinta bara de cupru prin care trece curentul de masurat (I_x), IFO este o infasurare din fibra optica, iar restul notatiilor au semnificatia din fig.5.24.

Datorita conductorului tip bara curentul nominal (I_xn) poate fi mult mai mare decat la cel cu bobina, ceea ce constituie principalul avantaj al acestui tip de senzor.

Functionare

I_x creeaza in jurul conductorului Cu un camp magnetic (H_x) a carui inductie la nivelul axei fibrei optice (FO) are expresia:

, (5.57)

in care r este raza IFO. Vectorul lui B_x fiind tangent la axa fibrei optice, roteste planul de polarizare al razei de lumina (f_p), cu un unghi

dat de relatia (5.52) care aici devine:

b p r n r B_x=q₂ B_x,    (5.58)

relatie in care n este numarul de spire al IFO, iar 2p r n=l lungimea totala a fibrei optice infasurate. Asociind aceasta relatie cu (5.4), (5.6) si (5.57) se obtine expresia:

U₂=q I_x q=m₁ m₂ q₁ q₂ , (5.59)

ce reprezinta ecuatia de functionare a acestui tip de senzor.

Parametri de calitate

Calitatile senzorului cu bara sunt cam aceleasi cu cele ale senzorului cu bobina cu exceptia curentului nominal (I_xn) care este mai mare, 1-10 kA.

Exemplu de realizare

Senzorul SIEMENS cu urmatorii parametri:

curent nominal I_xn: 0,2 - 2 kA, banda de frecventa: 0 - 3 kHz, precizie: 0,5 % c.s.

Acest tip de senzor inlocuieste competitiv transformatoarele de curent din retelele de inalta tensiune (220 - 400 kV) de c.c. si de c.a..