Elektrotechnika 2 0 1 1 / 1 2 1 7

Rogowski-tekercses zárlati árammérő

rendszer fejlesztése

Bevezető

Az áramváltók és mérősöntök alkalmazásán alapuló mérés pontossága az oszcillográfos méréstechnikához megfelelő volt, de a tranziens rekorderekkel történő méréssel elérhető pontosság már igényli az egyenáramú komponens átvitelé-re is alkalmas, szélesebb frekvenciatartományban működő Rogowski-tekercs alkalmazását. Nagy pontosságú, nagy se-bességű, sok mérőcsatornás, száloptikás jelátvitelű tranziens rekordereken alapuló méréstechnikánál a mért jelek galvani-kus leválasztásával megvalósult a zárlati vizsgálatok környe-zetében jelenlévő elektromágneses zavarok jelentős csök-kentése. A digitális méréstechnika lehetőségeihez mérten, és a nemzetközi élvonal tükrében, a zárlati áramok méréstechni-kája terén is szükségessé vált a fejlesztés a konkurens labora-tóriumok méréstechnikai színvonalának eléréséhez.

zárlati áramok mérésével kapcsolatos követelmények és proBlémák

A zárlati áramkörök erősen induktív jellegűek, emiatt a zár-lati áram tartalmaz egy, a feszültség bekapcsolási fázisszögé-től függő, exponenciálisan lecsengő tranziens egyenáramú komponenst. Ez az összetevő átmenetileg megnöveli a zár-lati áram csúcsértékeit, ami a vizsgált próbatárgy dinamikus igénybevételét jelentősen fokozza. A vizsgálati előírások rendszerint a maximális igénybevételt írják elő, amit a zárla-ti kör szinkronizált bekapcsolásával kell biztosítani, követel-mény a zárlati áram pontos regisztrálása és az egyenáramú tranziens komponens mérése is.

A vasmagos áramváltók a zárlati áramok tranziens egyen-áramú komponensétől telítődnek, s a dinamikus áramcsúcsot és azt követő periódusokat jelentős hibával mérik. A vasmag telítődése és remanenciája további nullaeltolódási hibát okozhat az árammegszakítási folyamat mérésekor. Ennek el-kerülésére a vasmagot túl kell méretezni, légréssel kell ellátni,

A zárlati méréstechnikában egyre elterjedtebb a Rogowski-tekercsek alkalmazása. A Rogowski-tekercsekkel kialakított mérőrendszerekkel szélesebb frekvenciatartomány és jobb egyenáramú átvitel érhető el. A kutatási, fejlesztési és kísér-leti eredmények alapján kidolgozott, 200 kA mérési tarto-mányú, 0,5% pontosságú mérőrendszer megfelel a zárlati laboratóriumok elvárt színvonalának.

Rogowski-coils are increasingly used for short-circuit current measurement. Rogowski measuring systems offer higher frequency range and better DC response. As the result of the experiments in the frame of the R&D work, a measuring system was developed for the 200 kA current range, with 0.5% accuracy. The system is in conformity with an acceptable level of short-circuit testing laboratories.

ami jelentősen növeli az áramváltó súlyát, méreteit és költsé-geit, ami 50 kA fölötti áramoknál a vasmag irreális túlmérete-zését követeli meg.

Zárlati söntöknél a 100 kW nagyságrendű termikus disszi-páció és a megfelelően kis fázishiba okozza a fő nehézséget, amelyek egymásnak ellentmondó követelmények. A disszi-pációt a sönt ellenállásának csökkentésével lehet elérni, ez vi-szont a mért feszültség csökkenésével a jel/zaj viszony romlá-sát is eredményezi. Zárlati áramok mérésekor a nagy váltako-zó mágneses terek beindukáló hatása – különösen kapcsolási tranziensek esetén – zavarjeleket hozhat létre a mérőkörben. A söntellenállás csökkentése a fázishibát is növeli, és az L/R időállandó határozza meg a sönt fázistolását. Ez különösen nagyobb frekvenciákon jelent problémát, emiatt csak speciá-lis, koaxiális elrendezésű söntökkel érhető el megfelelően kis időállandó. A vizsgálatoknál előforduló, több nagyságrendet átfogó áramszinteknek megfelelő sönt-sorozatra van szükség a mérési követelmények kielégítéséhez. A söntöket a zárlati kör földpontjában kell elhelyezni, kivéve, ha optikai jelátvitel-lel kerül a söntfeszültség a regisztráló berendezésre. Ilyenkor is problémát okoznak a nagyfeszültségű kapcsolási tranzien-sekből származó, több kV-ot elérő földpotenciál-elugrások távoli földelt pontok között.

Ezen problémák miatt új elveken alapuló árammérő esz-közöket kezdtek fejleszteni és alkalmazni a zárlati laborató-riumi méréstechnikában. Ilyenek a Faraday-effektuson vagy a Sagnac-interferométeren alapuló száloptikás áramváltók [1], és megjelentek a Rogowski-tekercses áramjeladók is. A Rogowski-tekercses árammérési elv jelentős fejlődést hozott a zárlati áramok méréstechnikájában [2], és alkalmazásukkal szabványosításuk is előtérbe került, amelyekre vonatkozó kö-vetelményeket az IEC 60044-8 szabvány [3] tartalmazza.

rogowski tekercses árammérés elmélete

A Rogowski-tekercs évszázados találmány, azonban zárlati áramok pontos mérésére csak az utóbbi évtizedek elektro-nikai eszközeinek fejlődése tette alkalmassá. A Rogowski-tekercs lényegében egy sokmenetű légmagos toroid tekercs, amely a síkján átmenő áramvezetőt ölel körül (1. ábra). A tekercs kapcsain a tekercshurkon áthaladó vezetőben folyó áram időbeli differenciálhányadosával arányos feszültség in-dukálódik, s mivel a tekercs légmagos, ezért nagyon széles áramtartományban lineárisnak tekinthető a mért érték.

Fekete ádám, schmidt lászló, szabó lászló, Dr. varga lászló

1. ábra Rogowski-tekercs

méréstechnikaméréstechnikaMéréstechnikaméréstechnika

Az indukált feszültség körszimmetrikus esetre:

ahol A egyetlen kis hurok területe, r az elemi menetek sugara, N a menetszám, R a tekercs sugara, l a tekercs hossza, µ0 a levegő permeabilitásadI/dt a hurkon átfűzött vezetőben folyó áram időbeli dif-

ferenciálhányadosa.Az elméleti összefüggés feltételezi, hogy a menetek egyen-

letesen vannak elosztva a hurok mentén, és a menetek felüle-te kicsi a hurok területéhez képest, valamint a tekercs körülve-szi a vezetőt. Az elemi menetekből álló tekercshurokba külső mágneses tér is tud feszültséget indukálni, ezért az egyik te-kercsvéget célszerű a tekercshurok belsejében visszavezetni, ezáltal a bifiláris elrendezéssel a külső mágneses terek hatása kiküszöbölhető, és a tekercsben csak az általa körülvett veze-tőben folyó áram indukál feszültséget.

a mérőrenDszer kimenő jelének létrehozása

A Rogowski-tekercs az általa körülzárt területen belül folyó áram differenciálhányadosával arányos jelet állít elő, ezért ezt a mérőrendszer integráló elemével az árammal arányos mérhető feszültségjellé kell alakítani. Az ún. önintegráló megoldásokat [4] passzív R-C, vagy L-R integráló négypólus alkalmazásával lehet közelítően realizálni, de ez a megoldás csak bizonyos frekvenciatartományra ad kielégítő pontos-ságot [5], viszont nagyfrekvenciás alkalmazásoknál és nagy áramimpulzusok mérésénél a tekercs saját induktivitását fel-használva passzív L-R és R-C integráló tagok kombinációjával szélesebb frekvencia-átfogás érhető el [2, 6, 7].

Passzív és aktív integrátorkombinációt alkalmazó áramkö-rökben az egyes integrátortagok frekvenciaátvitele össze-szorzódik, így eredőben szélesebb frekvenciaátfogást bizto-sítanak.

Az ideális integrátor amplitúdó-frekvencia diagramja növek-vő frekvenciákkal lineárisan csökken, csökkenő frekvenciák-kal nő, ezért az egyenáramú jelekre egy ideális integrátornak végtelen az erősítése. A műveleti erősítőknek van valamekkora kis nyugalmi bemeneti (offset) feszültsége, amely egy nagy nyílthurok erősítésű integrátorkapcsolást előbb-utóbb telí-tésbe vezérelne, amelyet meg kell akadályozni. Ugyanakkor a zárlati vizsgálatoknál fontos, hogy a zárlati áram tranziens egyenáramú komponensét pontosan mérje az integrátor. Az egyenáramú átvitelnek ellentmondó követelmény a kimeneti offsetstabilitás, ezért meg kell találni azt az optimumot, amikor mindkét áramköri követelmény teljesül. Ha az erősítést ala-csony frekvenciákon negatív visszacsatolással korlátozzuk, ak-kor a kis kimeneti nullponteltolódás és megfelelő egyenáramú tranziensátvitel egymásnak ellentmondó követelményét csak kompromisszummal lehet kielégíteni. A kidolgozott kapcsolás elvi sémáját a 2. ábra szemlélteti, amelyen a passzív és aktív integráló erősítő kombinációja látható.

A kidolgozott kapcsolási elrendezéssel az egyenáramú tranziens optimális átvitelére alkalmas megoldást és paramé-tereket számos változat áramköri szimulációjával határoztuk meg. A jelszintcsökkenéssel járó integrálás kompenzálására és a mérendő áramok két nagyságrendnyi átfogására az integrá-tort változtatható erősítésű mérőerősítő egészíti ki, és az in-tegrátor nyugalmi kimeneti offsetfeszültségét szervoerősítő

szabályozza mV-os nagyságrenden belül. A zárlati áramkörök tranziens egyenáramú komponense kb. 100 ms-os, vagy en-nél kisebb időállandóval csökken, amely néhány tized Hz-es frekvencia-összetevőnek felel meg, amit az integrátornak még át kell vinnie. A kísérletek eredményeként megvalósított integrátorerősítő Bode-diagramját a 3. ábra szemlélteti.

A diagramból megállapítható, hogy az integrátor az amp-litúdó karakterisztika a 0,2 Hz körüli töréspont és 200 kHz kö-zötti tartományában ideális integrátorként viselkedik, és az áram egyenáramú komponensét is megfelelően lehet mérni.

a rogowski-tekercsek és a mérőrenDszer kialakítása

Az irodalomban fellelhető megoldásokat elemezve [4, 5] a Rogowski-tekercseket a zárlati transzformátorok kivezetésein elhelyezhető szigetelő gyűrűből kialakított tekercsvázzal való-sítottuk meg. A zárlati laboratóriumi méréstechnikai szempon-tokat figyelembe véve a tekercsek mechanikai védelmét és vil-lamos árnyékolását vastag falú alumíniumgyűrűkkel oldottuk meg. A 3D-MotionControl Mérnökiroda Kft. által kifejlesztett és megvalósított konstrukció geometriai elrendezése biztosítja, hogy a transzformátor kivezető sínjére megfelelő szimmetriá-val kerüljön fel a mérőtekercs. A mérőrendszer másik eleme az integrátor, amely a tranziens egyenáramú komponenst tartal-mazó áramjelet is megfelelő pontossággal állítja elő.

Az integrátorokat célszerű a tranziens rekorder közelében a méréstechnikai helyiségben elhelyezni. A 4. ábrán egyfázisú mérési összeállítás látható a Rogowski-tekerccsel, az integ-rátorerősítővel és az ehhez csatlakozó tranziens rekorderrel együtt.

Elektrotechnika 2 0 1 1 / 1 2 1 8

2. ábra Integráló erősítő elvi sémája

3. ábra A megvalósított integrátor Bode-diagramja

A kialakított integrátor és mérőerősítő kimenő feszültség-tartománya ±10 V, és az erősítő fokozataival a teljes vizsgálati áramtartományt át lehet fogni, amelynél a méréshatárok: 1, 2, 5, 10, 20 és 50 kA/V.

a mérőrenDszer kaliBrálása és pontossága

Figyelembe véve az akkreditált laboratóriumi mérési pon-tossági követelményeket a kialakított mérőrendszert, a csat-lakozó kábelekkel együtt kalibráltuk az 1–5 kA-es áramtarto-mányban a MKEH által hitelesített 0,02% osztálypontosságú használati etalonnal. A kalibrálás során az árammal arányos jellel együtt a Rogowski-tekercsek feszültségének mérésére is sor került, amely alapján igazolódott a linearitás. A linearitás alapján, használati etalon feszültségforrással kalibrálva, 200 kA effektív értékű áramtartományra terjeszthető ki a 0,5 %-on belüli mérési pontosság.

A tranziens egyenáramú átvitel ellenőrzése koaxiális zárlati söntökkel való összehasonlítással történt, amely-nek regisztrátuma az 5. ábrán látható. A koaxiális sönt és a Rogowski-tekercses mérőrendszer a zárlati áram csúcsértékét 0,5%-on belül azonosan méri, és a fázishiba 50 Hz-en mérve ±15 szögpercen belül van.

A háromfázisú és egyfázisú mérésekre kialakított két rend-szer a kalibrálások elvégzése után a napi méréstechnikában alkalmazásra került. A zárlati vizsgálólaboratóriumok nem-zetközi STL szervezetének szervezésében folyó összehasonlí-tó körmérésre az STL koaxiális zárlati söntnormáliájával kerül sor, biztosítva ezzel az akkreditáltságból származó összemér-hetőség követelményét.

összeFoglalás

A nagy zárlati áramok tartományában a vasmagos áramvál-tók telítődési problémái, valamint a zárlati söntök termikus terhelési határai már évtizedek óta a légmagos Rogowski-tekercses technikára irányították a figyelmet, azonban a szükséges elektronikai elemek fejlettségi szintje csak később

teremtette meg az elmélet gyakorlati alkalmazási lehetősé-geit. A zárlati laboratóriumi vizsgálati követelmények figye-lembevételével elméleti munkák, valamint kísérleti fejlesztési és vizsgálati eredmények alkalmazásával megvalósult a mé-rőtekercs és a szükséges elektronika konstrukciójának kidol-gozása.

A laboratóriumi mérések és a kalibrálás eredményei iga-zolták a kidolgozott mérőrendszer linearitását és megfelelő pontosságát.

A kutató-fejlesztő munka eredményeként négy Rogowski-tekercs és a hozzájuk tartozó integrátorerősítő készült el. A K+F munka eredményeként lehetővé vált egy háromfázisú és egy egyfázisú 200 kA áramértékig alkalmazható, a világten-denciáknak és elvárásoknak is megfelelő 0,5% mérési pontos-ságú kalibrált mérőrendszer kialakítása.

irodalomjegyzék[1] Non-conventional Instrument Transformer Solutions (Sensors, Merging

Units, Protection Relays and Turnkey Schemes) AREVA T&D Worldwide Contact Centre: http://www.areva-td.com/contactcentre/

[2] j.a.j. pettinga, j. siersema: A Polyphase 500 kA Current Measuring System with Rogowski Coils; IEE Proceedings, Vol. 130, Pt. B, No. 5 September 1983, p. 360-363

[3] IEC 60044-8 International standard; Instrument transformers – Part 8: Electronic current transformers

[4] koller l., szalma p.: Egyszerűen gyártható Rogowski tekercs. Elektrotech-nika 91:(6-7) pp. 257-259. (1998)

[5] ljubomir kojovic: Gide for the Application of Rogowski Coils Used for Protecting Relay Purposes IEC Subcommittee, Relying Practices; January 2004

[6] koller l.: Önintegráló és áramintegráló típusú mágneses feszültségmérő jeladók alkalmazhatósága váltakozó áramok mérésére. Elektrotechnika 87:(9) pp. 417-422. (1994)

[7] t. Buruzs, l. koller, i. kiss: Analysis of transient transfer properties of current transmitters. Computational methods. Periodica Polytechnica-Electrical Engineering 43:(4) pp. 263-276. (1999)

Elektrotechnika 2 0 1 1 / 1 2 1 9

4. ábra Rogowski-tekercses mérőrendszer

5. ábra Rogowski-tekerccsel mért zárlati áram regisztrátuma

Dr. Varga Lászlóügyvezető igazgató, projektvezető VEIKI-VNL Kft.varga@vnl.hu

Szabó Lászlóműszaki tanácsadólaszlooszaboo@gmail.com

Schmidt Lászlóvillamosmérnök, kutatóVEIKI-VNL Kft.schmidt@vnl.hu

Fekete Ádámvillamosmérnök 3D-MotionControl Mérnökiroda Kft.adamfkt@gmail.com

Lektor: Dr. Krómer István