Ezek az alkatrészek együttműködve kiváló teljesítményinformációs vezérlőközpontot valósítanak meg, amely részletes vezérlési lehetőségeket és tájékoztatást kínál a hálózat elemeiről.
Intelligens transzformátor = okosmérő + Rogowski-tekercs
Az egyik mérőóragyártó bemutatta új megoldását, amely a rugalmas LEM Rogowski-tekercses szenzorokra (ART) épül, és egy transzformátor-alállomás elosztótranszformátorának kisfeszültségű oldali részére illesztett okosmérőt valósít meg. Az okosmérő szoftvere kiszámítja a transzformátor termikus és elektromos modelljeit a kisfeszültségű hálózatról nyert mérési eredményekből, és adatokat kezel a rendszerben az olajhőmérsékletről, az elhasználódási sebességről, az áramértékekről és az energiaáramlásról. Ez a megoldás gazdaságos és innovatív módja az elosztóhálózat menedzselésének, és jó alternatívája a középfeszültségű hálózatba iktatott szenzorok alkalmazásának. A LEM ART-alapú okosmérő teljes pontossága 1%-nál is jobb, amely túlszárnyalja a hagyományos Class 0,5 mérők képességeit is.
A közép-/kisfeszültségű alállomáson belül a bejövőteljesítmény a középfeszültségű oldaltól (1) áramlik, áthalad a középfeszültségű kapcsolóberendezésen (2), mielőtt a transzformátor (3) átalakítaná kisfeszültséggé (6). A kisfeszültségű panelbe (4) telepített okosmérő (5) három, független LEM ART (A) árammérő szenzorral figyeli a transzformátor (3) állapotát, ami lehetővé teszi az okosmérők biztonságos telepítését a már üzemben lévő transzformátorba.
Mindezek a következő előnyöket biztosítják az elosztóhálózatok üzemeltetői számára:
- a termikus viselkedés, elhasználódási sebesség, aktív és reaktív veszteségek valósidejű megfigyelését minden elosztótranszformátorban,
- fogyasztók, termelők és transzformátorok kisfeszültségű terhelési görbéit, amely lehetővé teszi a nem műszaki természetű veszteségek érzékelését,
- a közép/kisfeszültségű transzformátorok által szétosztott aktív energiamennyiség felhalmozását, amely lehetővé teszi a nem műszaki természetű problémák felfedezését a közműhálózat középfeszültségű részén.
A LEM Rogowski-tekercs (ART)
A LEM kifejlesztette ART névre keresztelt, Rogowski-tekercses áramszenzorát, amely akár 10 kA vagy azt meghaladó árammérési tartományt biztosít. Az ART egy tekercs, amely IEC 61869 Class 1 pontosságot biztosít, időfüggő driftelésére hajlamos kiegészítő alkatrészek (ellenállások, potenciométerek stb.) nélkül. Továbbá, a „Perfect Loop” megjelölésű ART-tekercs rendelkezik egy egyedi, szabadalmaztatott tekercsösszefogóval is, amely kompenzálja a hurkon belüli vezető pozíciójából adódó érzékenységi pontatlanságot. Végezetül: az ART ugyanolyan egyszerű telepíthetőséget és pontosságosztályt biztosít, mint az osztott magos áramtranszformátorok, a Rogowski-tekercsek között pedig abszolút kategóriaelső teljesítményt nyújt.
Mi az a Rogowski-tekercs?
A Rogowski-tekercs egy olyan érzékelő megvalósítására szolgáló alap, amelyet a mérendő vezetőszál köré kell tekercselni. A Rogowski-tekercs központi része egy spirális huzaltekercs, amelynek kivezetése normálmódon van kialakítva, a másik kivezetése viszont a tekercs közepén jön vissza az első kivezetés helyéhez, így mindkét csatlakozópontja a tekercs ugyanazon végén található. A tekercs hosszúságát a releváns kábelátmérő alapján határozzák meg, mert az optimális átviteli karakterisztika csak így biztosítható.
A technológia azért különleges, mert a tekercs végpontjai között arányos feszültséget előállító primer áram változási sebességének nagyon pontos követését teszi lehetővé. Ebből is látszik, hogy a rendszer kizárólag váltakozó áram méréséhez használható, amit többnyire kiegészítenek elektronikus integráló áramkörrel, annak érdekében, hogy a tekercsről levett feszültségjelet a primer árammal arányos kimeneti jellé konvertálják. Más szavakkal: a Rogowski-tekerccsel nagyon pontos és lineáris viselkedésű áramszenzorok állíthatók elő, a kalibrálandó és további elektronikákat tartalmazó megoldásokkal összemérhető áron.
A Rogowski-tekercs induktivitása az áramtranszformátorokhoz képest alacsonyabb, amelyből adódik, hogy a frekvenciaválasz-karakterisztikája is kedvezőbb, mivel nem mágnesezhető maggal rendelkezik. A Rogowski-tekercs viselkedése nagyon jól közelíti a lineárist nagy primer áramok esetén is, mivel nincs olyan vasmag benne, amely telítődhetne. Ez a szenzortípus tehát kifejezetten alkalmas olyan teljesítményelektronikai és elektromos rendszerekben való áramméréshez, ahol nagy névleges értékű és emellett gyorsan változó értékű áramok találhatók. A nagy értékű áramok mérésénél megvan a megoldásnak azon előnye is, hogy könnyen telepíthető és kompakt méretű, míg a hagyományos áramtranszformátorok nagyok, nehezek és emiatt telepítésük is bonyolultabb.
A Rogowski-tekercs kimenetén a kimeneti feszültséget az alábbi egyenlet adja meg:
ahol M a primer vezető és a tekercs közötti kölcsönös induktivitás mértéke, amely bizonyos mértékig kifejezi a primer és szekunder áramkörök közötti csatolást.
Az ilyen típusú árammérő szenzorok teljesítményét nagyban befolyásolja a Rogowski-tekercs gyártmányminősége, mivel a tekercselések közötti térköz egyenlő nagysága elengedhetetlen az elektromágneses interferenciával szembeni immunitáshoz, és a tekercselések sűrűségének szintén egyenletesnek kell lennie, máskülönben az M kölcsönös induktivitási együttható pozíciófüggővé válhat.
Egy további kritikus pontja a rendszernek a lezárópont, amely szakadást visz a tekercsbe, és ezáltal érzékenységet visz a külső vezetőkre és a mért vezető hurkon belüli pozíciójára nézve. A záróvagy lefogatórendszer a tekercsvégpontok megismételhető, pontos pozícionálását és nagyfokú szimmetria elérését teszi lehetővé, mialatt az egyik tekercsvégpont a kimeneti kábelre van csatlakoztatva. Néhány új technológiai megoldás nemrégiben jelent meg ezen a területen, amelyek speciális mechanikai és elektronikai megoldásai a primer kábel elhelyezkedésére való tekintettel jobb pontosság és immunitás elérését teszik lehetővé. A primer kábel elhelyezkedésére nézve a hiba jellemzően nem haladta meg a ±3%-ot az 50/60 Hz frekvenciákon, ezzel az újfajta megoldással felszerelt Rogowski-szenzoroknál sikerült még lejjebb, ±1%-ra leszállítani a pontosságot.
Hogyan sikerült mindez a LEM-nek?
A Rogowski-tekercsek pontos mérőeszközzé változtatásához a piacon kétféle technika ismeretes:
- lehetőség van standard piaci termékként megvásárolni egy tekercselt huzalt, majd a hurkot egy ellenálláshoz csatlakoztatni, amely aztán a pontosság kalibrálására kerül felhasználásra, illetve
- be lehet szerezni egy ún. „nyers Rogowski-tekercset”, amely egy nagyon pontosan tekercselt, szokványos rézhuzalt tartalmaz a szerelvény teljes hosszában, biztosítva a szenzor pontosságát.
Míg az első megoldás a relatíve rendkívül alacsony bekerülési költsége miatt csábítónak tűnhet, a vele kialakított rendszer igen érzékeny a külső környezetből származó zajokra, kisebb a pontossága, és mivel több alkatrészt visz be a rendszerbe, megbízhatósága is elkerülhetetlenül rosszabb. Ezzel ellentétben, bár a nyers Rogowski-tekercshez valamivel nagyobb befektetésre és tudásra van szükség, az elérhető eredmények is jóval kecsegtetőbbek. A leírás alapján alighanem nyilvánvaló, hogy a vékony LEM ART Rogowski-tekercs a második megközelítést alkalmazza. A LEM ART erősítése 22,5 mV/kA, és tartalmazza a LEM szabadalmaztatott megoldását az elektrosztatikus árnyékolásra és a kisértékű áramok pontos méréséhez szükséges optimalizálást is.
A Class 1 pontosság eléréséhez az egyedi fejlesztésű reteszelőrendszer is elengedhetetlen volt, és ösztönözte a LEM-et a lehető leghatékonyabb megoldás kifejlesztésére. A reteszelő mechanizmusában és a szenzor másodlagos vezetékeiben az eredendő tökéletlenségének ellentételezésére a LEM mérnökei olyan hüvelyt fejlesztettek ki, amely mágneses rövidzárként (pontosabban: reluktancia-rövidzárként) működik, gyakorlatilag a két oldalon lévő tekercsrészeket összehozva. A hüvely egy ferritdarabból került kialakításra, az 5. ábrán látható elrendezés szerint.
A LEM által kifejlesztett szabadalom teljes sikernek bizonyult, a kapocs bevezetéséhez társítható hiba a 6. ábra tanúsága szerint gyakorlatilag elhanyagolható.
A pontosság nemcsak a primer vezető hurkon belüli pozíciójától, hanem az ortogonalitástól, vagyis a primer vezető hurkon áthaladásától és a Rogowski-hurokhoz viszonyított állásszögétől (90°, 45°, 0° vagy 180°) is függ (lásd 7. ábra). Az ART-hurok azonban erre a jelenségre érzéketlen, olyan tekintetben, hogy a LEM által alkalmazott megoldásoknak hála, a pontosság nem szenved csorbát.
Végezetül fontos megemlíteni azt is, hogy a rendkívül kedvező teljesítményjellemzőkön felül a LEM-féle Rogowski-tekercs könnyű használhatóságával és telepíthetőségével is kitűnik, amely számos alkalmazástípushoz való használatra alkalmassá teszi. Az ART-sorozatú szenzorok telepítése ugyanolyan egyszerű, mint az osztott magos transzformátoroké, viszont azokkal ellentétben jelentősen kedvezőbb rugalmassági jellemzőket nyújtanak, a mindössze 6,1 mm átmérő jóvoltából.
Legyen bármekkora a tekercsapertúra (35 ... 300 mm), az ART-sorozatú szenzorok nagyon gyorsan és egyszerűen felszerelhetők a rendeltetési helyre az innovatív, robusztus és gyors, csavarós-bekattintós rögzítési megoldás jóvoltából. Érintkezés a kábellel szükségtelen, az ART magas szintű biztonságot és 1000 V Cat III PD2 (megerősített) szigetelési feszültséget nyújt, és akár IP67-védettséget igénylő környezetben is használható. A primer kábelen való rögzítés a kijelölt rögzítőfülön keresztül kábelkötegelővel megoldható. Az ART lehetőséget nyújt arra is, hogy a tekercs eltávolítása érzékelhető legyen egy biztonsági plomba révén, amelyet egy speciálisan kialakított foglalaton keresztülvezetve működik, és például mérőórával használva fokozott biztonságot nyújt (lásd 8. ábra).
Az intelligens vezérlő- és monitorozófunkciókat támogató elektromos hálózati elemek [pl. teljesítménygenerátorok, otthoni energiamenedzsment (HEM – Home Energy Management) rendszerek, akkumulátormonitorozó rendszerek (BMS – Battery Monitoring System), közép- és kisfeszültségű alállomások, mellékmérők, elektromosjármű-töltőállomások, napelemfarmok stb.] egyre több árammérő szenzort tartalmaznak, és teszik lehetővé az elosztott, megújuló energiaforrásokat, energiatárolókat, energiafejlesztőket és -fogyasztókat tartalmazó hálózatok zökkenőmentes integrációját. Ez azt jelenti, hogy a vezérlőkörnyezetbe több szenzor integrálható az automatizálás, monitorozás és valósidejű adatmegosztás fejlesztése érdekében.
Az intelligens közműhálózatok harmonizációja érdekében a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC – International Electrotechnical Commission) mindegyik alkalmazási területen törekszik a szilárd alapok lefektetésére és egy jól megalapozott, robusztus, ellenálló és biztonságos, „okos” villamosenergia-hálózat megalapozására. Az ezen a területen használt szenzorok robusztussága és pontossága kulcseleme egy stabil rendszernek. Az IEC 61869 a szenzorok minősítésének új mércéje és a korábbi IEC 60044 szabvány kiváltója az áramtranszformátorokra nézve. Az ART-sorozatú Rogowski-tekercseket a LEM-szakértők által megálmodott, szigorú feltételeket támasztó ellenőrzési tervek ellenében minősítik, amely kiváló minőségben támogatja ezt a fejlődést. Kiterjedt tapasztalatai révén a LEM garantálja a mérési megismételhetőséget, minden jelváltója tekintetében a pontosságot az IEC 61869-2 Class 1.0 szerint minden ART-sorozatú modellje esetében, amelyek így kiváló alapot adnak a jövő intelligens városainak és minden kapcsolódó alkalmazás megvalósításához. Az ART-sorozatú árammérő szenzorok rendelkeznek CE és UL 2808 jelöléssel, valamint IEC 61869 megfelelőséggel, amelyeken felül 5 év gyári garanciát biztosít a LEM.
A LEM-ről
A LEM az innovatív és csúcsminőségű megoldások egyik vezető szállítója elektromos paraméterek mérésére, számos alkalmazásban (megújuló energiák, hajtások, tápellátás, precíziós iparágak, környezetbarát járművel stb.). A LEM City a Smart City kezdeményezés megvalósításához szükséges, különféle energiaszenzorok pontos, megbízható és könnyen telepíthető változatainak megvalósítását tűzi ki célul.
