TENDINŢE ŞI PERSPECTIVE ÎN DEZVOLTAREA UNEI NOI GENERAŢII DE SENZORI DE CURENT PENTRU STAŢII DE ÎNALTĂ TENSIUNE

TENDINŢE ŞI PERSPECTIVE ÎN DEZVOLTAREA UNEI NOI GENERAŢII DE SENZORI DE CURENT PENTRU STAŢII DE ÎNALTĂ TENSIUNE TRENDS AND PERSPECTIVES IN THE DEVELOPMENT OF A NEW GENERATION OF CURRENT SENSORS FOR HIGH VOLTAGE STATIONS Traian-Titi ŞERBAN Maria BROJBOIU University of Craiova, Romania Bd. Decebal, No.5 Tel 40-251-435724 ext.133; email: tserban@elth.ucv.ro; mbrojboiu@elth.ucv.ro Rezumat: Aplicaţiile industriale includ traductoare noi, neconventionale, bazate pe efecte neutilizate anterio, chiar dacă, pentru moment, traductoarele clasice transformatoarele de curent şi de tensiune (CVT) nu pot fi abandonate. Tehnicile numerice se extind tot mai mult în toate măsurările actuale, în prezent instrumentele digitale precum sistemele numerice de măsurare, monitorizare şi protecţie fiind implementate pe scară largă în instalaţiile industriale. Secţiunile lor de măsurare au performanţe sporite, impunând proiectarea şi uitilizarea unor noi tipuri de traductoare de curent şi de tensiune. Tipul înlocuitorilor transformatoarelor de curent este determinat de tensiunea nominală: transformatoarele de curent cu inel Rogowski se utilizează la joasă şi medie tensiune, inclusiv pentru măsurarea energiei: traductoarele electro-optice vor înlocui CVT în instalaţiile de înaltă tensiune şi mare putere. În substaţiile cu SF 6, mai ales la medie tensiune, sunt preferate traductoarele inductive Hall. Traductoarele descrise în continuare au performanţe deosebite privind siguranţa în funcţionare, securitatea instrumentaţiei şi a personalului operator. Keywords: Traductor de curent şi de tensiune, traductor electrooptic, traductor instrumental, sistem numeric de măsurare, monitorizare şi protecţie. 1. Introducere Modalitatea clasică de prelevare a semnalelor de curent şi de tensiune cu echipamente electronice actuale este ilustrată în figura 1. Se remarcă prezenţa celui de-al doilea nivel de izolare prin CVT incluse în instrumentul numeric. Dezavantajele variantei din fig.1 sunt de ordin financiar (CVT clasice sunt scumpe) şi calitative: fiabilitatea limitată, eficienţa redusă şi compatibilitatea limitată cu DMMPS, datorată benzii de frecvenţă limitate de prezenţa miezului feromagnetic. Dispozitivele neconvenţionale de captare a semnalelor de curent şi de tensiune descrise în continuare (numite traductoare de curent şi tensiune) au avantaje economice, funcţionale, din punct de vedere al disponibilităţii şi mentenanţei. Noile tipuri de traductoare de curent şi de tensiune sunt bine fundamentate teoretic şi cunosc deja realizări experimentale de succes, fiind pregătite pentru echiparea staţiilor actuale [1]. Abstract: Industrial applications include new non-conventional transducers, based on effects never used before, even if, at least for the moment, the conventional transducers - current and voltage transformers (CVT) cannot be abandoned. Digital techniques are increasingly spreading in all actual measurements. Nowadays, digital instruments as Digital Measuring, Monitoring and Protection Systems (DMMPS) are widely implemented in many industrial applications. Their measuring sections have better performances and ask for the design and usage of new types of current and voltage transducers. Rated voltage dissociates the cases where these new transducers replace the current transformers. Current transducers with Rogowski coil are used in medium and low voltage systems for energy measurements. Electro-optic transducers will replace the CVT in high-voltage and high-power systems. For SF6 substations, mainly in medium voltage systems, inductive types are preferred. The sequent sensors exhibit remarkable performances such as reliability and electro-security of the operational personnel and electronic instrumentation. Keywords: Current and Voltage Transducer, Electro-optical Transducer, Instrumental Transducer, Digital Measuring, Monitoring and Protection System 1. Introduction The classical way for picking the current and voltage signals using actual electronic devices is presented in figure 1. One can remark the second insulation level achieved by the CVT included in the digital meter system. The drawbacks of the schematic in figure 1 are mainly financial (the conventional CVT are expensive devices) and qualitative: low reliability, low efficiency and low compatibility with DMMPS due to a poor bandwidth associated with the ferromagnetic core. Non-conventional devices for sensing the current and voltage described above, said current and voltage transducers, present economical and functional advantages, being more reliable and requiring a very low maintenance. New types of current and voltage transducers are based on a strong theoretical support and many successful physical models are already prepared to replace the actual devices in high-voltage power stations [1].

448 În această perioadă de introducere a noilor generaţii de senzori se remarcă lipsa unei standardizări internaţionale a senzorilor şi a interfeţelor digitale sau analogice. The 5 th International Power Systems Conference Nowadays one can see there's a lack of international standardisation for sensors and for associated analog and digital interfaces. Fig.1. Senzori clasici pentru sisteme de măsurare 2. Premise funcţionale pentru senzorii de curent asociaţi DMMPS Un aspect important în standardizarea senzorilor din noua generaţie îl reprezintă mărimea de ieşire. Binecunoscuta valoare nominală de 5A a curentului secundar al transformatoarelor de curent (CT) nu-şi mai găseşte justificarea la senzorii destinaţi să funcţioneze în asociere cu DMMPS. Noile tipuri de senzori vor avea ca mărime de ieşire o tensiune de ordinul volţilor. Grupuri de lucru din CEI lucrează la standardizarea interfeţelor de semnal mic pentru senzori de tensiune (CEI 60044-7) şi de curent (CEI 60044-8), ambele categorii având ieşirea în tensiune, cu valori sub 5 V. La traductoarele de curent electronice, care realizează implicit conversia curent-tensiune, sunt precizate valori standardizate pentru tensiunea de ieşire: 22,5mV, 150mV, 225mVcorespunzând curentului nominal. Circuitele secundare realizate cu echipamente numerice necesită puteri de intrare extrem de mici. Senzorii moderni se caracterizează printr-un transfer de putere mult mai redus, accentul punându-se pe acurateţea funcţiei de transfer (precizia instrumentală). O altă particularitate a noilor senzori este funcţionalitatea lor multiplă, acelaşi senzor de curent sau de tensiune putând furniza semnal util secţiunilor de măsurare şi de protecţie a DMMPS. Cea mai importantă premisă funcţională în introducerea noilor senzori de curent şi de tensiune este, fără îndoială, liniaritatea caracteristicii de transfer. Senzorii inductivi din noua generaţie nu au miez feromagnetic, iar senzorii optici sunt dimensionaţi pentru absenţa saturaţiei în caracteristica de transfer. La senzorii de tensiune problema 2. Functional Assumptions for DMMPS' Current Sensors An important feature must be considered in the conceptual phase of the standardisation: the sensor's output nature and range. The well-known rated value (5A) for old current transformers (CT) is no longer justified since the new sensors are designed for DMMPS. New types of sensors will have an output in the range of hundreds of millivolts to few volts. CEI Working Groups are elaborating standards for the small signal interfaces for voltage sensors (CEI 60044-7) and for current sensors (CEI 60044-8), both types having the output voltage smaller than 5V. For the current electronic transducers that perform an intrinsic current-to-voltage conversion, normalised values of the output voltage are assigned: 22,5mV, 150mV, 225mV, corresponding to the rated current. The "secondary circuitry" in DMMPS, as for all electronic equipment, requires extremely low input power consumption. The novel sensors are characterised by a much more reduced power transfer but an accurate transfer function resulting in high instrumental precision. Another hallmark of the new sensors is their multiple functionality: the same current or voltage sensor may be used both with measurement and the protection section of the DMMPS. Beyond any doubt, the most important assumption for the new sensors is the linearity of the input-output characteristic. The new inductive sensors have no ferromagnetic core and the optical ones are designed especially to avoid the saturation.for voltage sensors the saturation problem is not restrictive, since the voltage in

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 449 saturaţiei nu este foarte restrictivă, valoarea tensiunii în sistemele energetice fiind destul de apropiată de valoarea nominală chiar şi în regimuri de avarie. La senzorii de curent, problema saturaţiei este mult mai acută, în strânsă legătură cu gama dinamică pe care trebuie s-o acopere DMMPS. Gama dinamică extinsă este impusă de necesitatea măsurărilor exacte în regimuri de avarie pentru asigurarea selectivităţii DMMPS în situaţii critice. Noii senzori de curent au game dinamice foarte mari, acoperind necesităţile chiar şi în sistemele de medie tensiune cu valori maxime ale curenţilor de scurtcircuit. Noţiunea de factor de curent primar nominal extins, introdusă de grupul de lucru al CEI pentru senzorii de curent cu gamă dinamică extinsă, vine în întâmpinarea ideii de a utiliza acelaşi senzor pentru măsurare şi pentru protecţie. Factorul defineşte raportul dintre valoarea nominală corespunzătoare regimului normal şi valoarea maximă a curentului primar transferat liniar în regim de suprasarcină. În cazul unui curent primar nominal de 50A şi a unui factor de curent primar nominal extins egal cu 10, domeniul de variaţie al curentului nominal este de 50A...500A. Factorul este un analog al cifrei de supracurent de la înfăşurările de protecţie ale transformatoarelor de curent. Timpul de răspuns al traductorului este în strânsă legătură cu defazajul dintre curentul primar şi tensiunea de ieşire. Valorile mari ale timpului de răspuns afectează nefavorabil erorile de unghi, cu implicaţii nefavorabile asupra măsurării puterii şi energiei. Efectul se manifestă în special în regim deformant, impunând senzorilor de curent o bandă de frecvenţă extinsă la zeci de khz. Tensiunea de izolare este un parametru calitativ foarte important al senzorilor de curent si de tensiune. Criteriile care determină tensiunea de izolare sunt electrosecuritatea personalului operator şi funcţionarea corectă a instrumentaţiei numerice de înaltă rezoluţie. Compatibilitatea electromagnetică vizează nivelul perturbaţiilor de orice tip care însoţesc funcţionarea senzorilor în sistemele de putere şi influenţa reciprocă a acestora. Pentru senzorii din noua generaţie compatibilitatea electromagnetică este maximă. Influenţa senzorilor asupra sistemului de putere este infimă, energia preluată ca şi perturbaţiile induse în sistem fiind neglijabile fără rezerve. 3. Traductoare de curent cu inel Rogowski Cunoscut de peste un secol şi menţionat în literatura de specialitate încă din 1887 de profesorul englez Chattock [2], inelul este consacrat ca mijloc de măsurare a curentului în 1912 de Rogowski, dar este utilizat numai ocazional, fără perspectiva de a lua locul clasicelor transformatoare de curent. În 1991 a fost creată în Nottingham firma engleză Power Electronic Measurements Company, care a readus acest traductor în atenţia specialiştilor, realizând primele exemplare comerciale. În prezent, inelul Rogowski cunoaşte o extindere a aplicabilităţii şi, probabil, va ocupa un loc important în clasamentul celor mai utilizate traductoare de curent, datorită avantajelor sale deosebite în comparaţie cu transformatoarele clasice de curent. power systems is fairly close to the rated value even in fault conditions. For the current sensors, the saturation problem is much more severe, since it is tightly connected with the dynamic range that DMMPS must cover. The extended dynamic range for new current sensors is asked by the necessity of precise measurements in fault conditions to achieve the selectivity of the DMMPS. Novel current sensors have huge dynamic ranges, covering all critical situations even in the medium voltage systems where the short-circuit currents are maximal. The CEI Workgroup, mainly for including the electrical specifications of the current sensors referring the extended dynamic range, introduced the concept of extended primary rated current factor. This comes to greet the use of the same current sensor both with monitoring and protection devices and/or functions. The feature specifies the ratio between the rated current in normal state and the maximal surge current in linear domain in order to achieve the protection function against overloads. I.e. a primary current of 50A and an extended rated primary current factor of 10 lead to a rated current range of 50A...500A. This factor has a similar meaning as the overcurrent factor for the protection windings in CTs. The settling time of the transducer determines in the first place the phase-shift between its input primary current and the secondary output voltage. High values of the settling time increase the phase error, with unwanted implications in the power and energy measurements. This effect is evident especially in the distorted systems, asking for the current sensors to have a bandwidth expanded to tens of khz. The Isolation Voltage is an important qualitative feature of the novel sensors. The criteria that determine the rated isolation voltage are the electro-security of the human operator and the correct operation of the highresolution digital instrumentation. Electromagnetic Compatibility (EMC) refers to the level of the perturbations of any kind that affect the functionality of the sensors in the power systems and their reciprocal influence. Novel sensors have a maximum EMC. The reciprocal influence between the sensors and the power system is rather insignificant: the energy taken from the power system and the induced perturbations from the sensors are with no doubt inappreciable. 3. Rogowski Coil - Based Current Transducers Known for over a century and mentioned in the technical literature since 1887 by the English Professor Chattock [2] the coil was settled as a current measuring device in 1912, by Rogowski and Steinhaus. Since that moment the coil was used only occasionally, with no chance to replace the classical current transformers. In 1991, the Power Electronic Measurements Company in Nottingham UK was founded, bringing back to life the old Rogowski coil and claiming it as a readily available commercial current measuring device. Nowadays, the Rogowski coil extends its applicability and, probably, will take an important place in the top of the most used current transducers, considering its main advantages versus the conventional CTs.

450 Limitarea utilizării sale înainte de anii '90 este motivată de lipsa unui integrator cu performanţe suficiente pentru o precizie adecvată. Dezvoltarea electronicii analogice a înlăturat deja acest impediment şi în prezent traductoarele cu inel Rogowski sunt tot mai utilizte, pătrunzând chiar şi în aplicaţiile industriale de frecvenţă joasă. Efectul Hall, descoperit de Edwin Hall în 1891 a deschis perspectiva proiectării unui nou senzor de curent, produs şi comercializat masiv de firma elveţiană LEM apoi preluat în fabricaţie şi de alte firme: Allegro Systems, Amecon Inc.[4], Computer Weld Technology, Raztec, Sypris Test and Measurement şi multe altele. Faţă de traductorul cu inel Rogowski, senzorul de curent cu efect Hall nu are dezavantaje semnificative. Circuitele de prelucrare analogică asociate au forme şi componente similare la traductorul cu senzor Hall şi la cel cu inel Rogowski. O analiză comparativă succintă a senzorilor de curent utilizaţi în proiectele actuale este prezentată sintetic în tabelul T1. Tabelul T1 Tip senzor > V Performanţa Şunt rezistiv Trafo curent Senzor Hall Inel Rogowski Cost f. mic mediu mare mic Liniaritate f. bună bună slabă f. bună Consum mare mic mediu mic Saturaţie / Histerzis nu da da nu U out / θ medie mică mare f. mică Offset da nu da nu I max /I nom f. mică medie medie f. mare În ultima perioadă, procesoarele numerice de semnal cunosc o aplicabilitate tot mai extinsă şi dau posibilitatea realizării integratoarelor numerice. Firma Analog Devices comercializează contoare de energie [6] cu traductoare de curent cu inel Rogowski asociate cu integratoare numerice. Precizia obţinută este remarcabilă, eroarea relativă în gama dinamică 1:1000 coborând sub 0,1%. Câteva performanţe ale traductoarelor cu inel Rogowski sunt redate în tabelul T2, prin comparaţie cu cele ale transformatorului de curent cu sarcină internă [6]. The 5 th International Power Systems Conference The restricted use of the Rogowski coil before 1990 may be justified by the lack of an appropriate integrator having required performances to achieve imposed precision conditions. The analog electronic devices' development overcame that drawback so nowadays the Rogowski coilbased current transducers are implemented even in the low frequency applications. Hall Effect (Edwin H. Hall - 1891) opened the way for a new current sensor type. Transducers were made and put on the market by the Swiss LEM Corporation and from many other manufacturers (Allegro Systems, Amecon Inc. [4], Computer Weld Technology, Raztec, Sypris Test and Measurement, and many others). A comparison between the Rogowski coil-based current transducer with Hall transducer relieves no significant drawbacks of the first. The analog conditioners have similar components for both transducers, leading to same costs, but the sensors are quiet different. A brief analysis of the main current sensors used in the actual designs is shown in Table T1. Table T1 Sensor Type > Resistive Hall Rogowski CT V Performance shunt Sensor Coil Cost very low medium high low Linearity very good good low very good Consumption high low medium low Saturation / Histerzis no yes yes no U out / θ medium low high very low Offset yes no yes no I max /I nom very low medium medium very high During the last decade, the DSP spread into a very large range of applications, giving the opportunity to built digital integrators. "Analog Devices Inc." has already put on the market energy meters [6] including Rogowski coil current transducers coupled to digital integrators with quiet remarkable precision performance: the relative error in the dynamic range of 1:1000 is lower than 0,1%. A brief round up of the Rogowski coil current transducer's performances is fulfilled in Table T2, beside the CT with internal load [6]. Tip senzor > V Performanţa Domeniul de lucru Tensiune de ieşire Eroare în gama dinamică Tabelul T2 Traductor cu inel Rogowski liniaritate până la I sc max u 2 (t) = M di /dt < 1% (0,2% comp.) Interfaţa u 2 =150mV i/i 1 (IEC 60044-8) Z > 100kΩ - sensibilitate la câmpuri magnetice externe; Alte caracteristici -imunitate termică (var.comp.) - oscilaţii pe front CT cu sarcină internă Liniaritate 25 ms (I th max + I cc ) R s =1Ω...2Ω u 2 (t) = k i 1 (t) /I th total 0,1%; ϕ < 5 ; Ι 1 >100Α u 2 =22,5mV i/i 1 Z > 10kΩ - imunitate la câmpuri magnetice externe; - sensibilitate la variaţia temp. Sensor Type > V Performance Rated Range Output Voltage Error in the Dynamic Range Interface (IEC 60044-8) Other features Table T2 Rogowski Coil Transducer linearity to I sc max u 2 (t) = M di /dt < 1% (0,2% compensated) u 2 =150mV i/i 1 Z > 100kΩ - EMF sensibility; - thermal immunity (compensated); - transient ripple CT with Internal Load linearity 25 ms (I th max + I cc ) R s =1Ω...2Ω u 2 (t) = k i 1 (t) /I th total 0,1%; ϕ <5' ( I 1 >100A) u 2 =22,5mV i/i 1 Z > 10kΩ - EMF immunity; - thermal drift

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 451 4. Traductoare de curent cu senzori electro-optici Tendinţa de dezvoltare a senzorilor de curent bazaţi pe efecte electro-optice va fi, fără îndoială, aceeaşi ca şi a altor tipuri de senzori. Modelele noi şi performante vor deveni disponibile pe măsură ce tehnologia va pune la dispoziţie materiale noi, cu proprietăţi superioare. Senzorii optici acoperă distanţele relativ mari dintre linia de înaltă tensiune şi pământ. Senzorii optici hibrizi folosesc dispozitive de tensiune joasă convenţionale sau semiconvenţionale pentru a converti numeric curentul sau tensiunea (convertoare analog-numerice potenţializate cu înaltă tensiune). Informaţia de curent şi/sau tensiune este adusă la potenţial apropiat de zero cu un dispozitiv de comunicaţie incluzând fibre optice. Sistemele hibride au două dezavantaje principale: potenţializarea circuitelor electronice la înaltă tensiune şi folosirea laserilor de mare putere care sunt greu de manevrat. Ambele dezavantaje pot fi depăşite prin folosirea dispozitivelor de măsurare pasive integral optice care folosesc efectul Faraday (1845): birefringenţa circulară produsă de câmpul magnetic asupra unui spot luminos cu aceeaşi direcţie cu a câmpului, într-un mediu transparent (figura 2). Modelul matematic simplu presupune aplicarea unei ecuaţii liniare [3]: α = V H l (1) unde α este unghiul de rotaţie al planului de polarizare, V - constanta Verdet, H - câmpul electromagnetic şi l - lungimea liniilor de câmp. Constanta Verdet depinde de indicele de refracţie n şi de raportul dintre sarcina şi masa electronului: e dn V = λ (2) 2mc dλ Planul de polarizare liniară a luminii se roteşte atunci când lumina se propagă de-a lungul unui câmp magnetic. Pentru creşterea sensibilităţii dispozitivului optic, în locul inelului din fibră de sticlă se poate utiliza o bobină cu câteva spire din acelaşi material, dispusă în jurul conductorului prin care trece curentul de măsurat. Creşterea preciziei de măsurare reprezintă una din condiţiile sine-qua-non pentru introducerea pe scară largă a senzorilor electrooptici în sistemele energetice. Cele mai importante surse ale erorilor acestui tip de senzori sunt dependenţele de temperatură a constantei Verdet şi a caracteristicilor geometrice ale ansamblului traductor de curent. 4. Current Transducers with Electro-Optic Sensors There's no doubt that the trend in the development of the current sensors based on electro-optical effects will be the same as the other's. New and performant models will be available once the technology will bring new materials with better properties. Optical current sensors are quiet suited for the large distance between the high voltage line and the grounded equipment. Hybrid optical sensors use conventional low voltage devices (Analog to Digital Converters potentialised with high voltage) to assign to current or voltage a digital correspondent. Next a communication optical device brings the current or voltage signal to a potential closed to ground. Hybrid sensors have two main drawbacks: they use the electronic circuitry potentialised with a high voltage and ask for high-power LASER beam, which is difficult to handle. Both drawbacks may be easily overcome using entirely optic passive measuring devices based on the Faraday Effect (1845): the circular birefringence produced by an external magnetic field upon a light spot having the same direction with the magnetic field, in a transparent medium (figure 2). The simple mathematical model follows the equation [3]: α = V H l (1) where α is the rotation angle of the polarisation plane, V - Verdet constant, H - electromagnetic field and l - field line's length. Verdet constant depends on the refraction index n and the ratio between the electrical charge and the mass of the electron: e dn V = λ (2) 2mc dλ The linear polarisation plane of the light beam rotates when light goes along a magnetic field. In order to increase the device's sensibility, a coil with few turns may be used instead a one-turn coil of optical fiber around the conductor carrying the measured current. The main condition for bringing the electro-optic sensors on the market to replace the old CTs in medium and high voltage stations is to increase their precision. The most important error source of optical sensors is the temperature drift of the Verdet constant. Another is the temperature influence on the geometrical dimensions of every part of the optical current transducer. Fig.2. Efectul Faraday Fig.3. Senzor electro-optic termocompensat

452 Minimizarea influenţei temperaturii se realizează prin plasarea (fig.3) unui dispozitiv de întârziere între elementul de polarizare a luminii şi senzorul electrooptic. Deriva termică a dispozitivului corector o compensează pe cea a constantei Verdet [7]. Senzorii de curent cu fibre optice implică o tehnologie avansată dar au dimensiuni reduse şi au avantaje mari privind funcţionarea în condiţii din cele mai ostile: - izolare electrică inerentă; - construcţie compactă şi greutate redusă; - cost redus de instalare şi exploatare; - securitate sporită a personalului şi a instrumentaţiei; - număr redus de tipuri de traductor; - gama dinamică extinsă şi remanenţă nulă; - absenţa remanenţei şi histerzis-ului; - liniaritate într-o bandă largă de frecvenţă; - imunitate la interferenţele electromagnetice; - erori suplimentare nule prin conversie A/D; - fiabilitate foarte mare (senzor complet pasiv). Figura 4 prezintă o linie de medie tensiune cu localizarea senzorilor de tensiune şi de curent ataşaţi DMMPS. Sunt măsurate tensiunile de fază şi curenţii de linie. Pentru definirea şi implementarea noilor standarde, grupurile de lucru ale IEC au introdus noţiunea de "traductoare electrice de instrumentaţie" desemnând noile tipuri de traductoare care nu mai au nevoie de transfer de putere pentru a acţiona elemente de execuţie (relee). Interfaţarea senzorilor de curent şi de tensiune cu instrumentaţia numerică de monitorizare şi protecţie se realizează de regulă prin "traductoare instrumentale" cu funcţia generică de sumatoare de semnal (Σ). The 5 th International Power Systems Conference For the minimisation of the mentioned errors, an optical delaying device must be included between the polarising element of the sensor and the main electro-optic sensor (figure 3). The corrector s temperature drift compensates the same drift of the Verdet constant [7]. The optical current sensors ask for a complicated technology but they are smaller and exhibit advantages regarding the functionality in the worst conditions: - inherent electrical insulation; - compact design and low weight; - low mounting and exploitation cost; - enhanced personnel and instrumentation security; - low number of transducer types; - extended dynamic range; - no remanence, no hysteresis; - high linearity in a wide bandwidth; - EMI immunity; - no supplemental errors due to the A/D conversion; - high reliability (the sensor is completely passive). In figure 4 is represented a medium voltage bus bar along with the current and voltage sensors associated to the DMMPS. Phase voltages and line currents are measured. In order to define and to implement the new standards, the IEC working groups generated the new concept of "electrical instrumentation transducers" for the new types of transducers that do not need anymore a power transfer to drive the actuators (relays, trippers, contactors). The interface between the current sensors and the DMMPS is usually achieved by the "instrumental transducers" (IT) that works having the generic function of analog signal adder (Σ). Fig.5. Configuraţie de conectare a unui DMMPS într-un sistem de medie tensiune Fig.4. Amplasarea senzorilor unui DMMPS Figura 5 prezintă cea mai comună configuraţie de măsurare a mărimilor primare într-un sistem de medie tensiune pentru monitorizare şi protecţie, cu câte 3 curenţi de linie şi un canal de curent omopolar. Se măsoară direct tensiunile de fază, tensiunea homopolară şi tensiunile în sistemul de bare. Figure 5 presents the most common configuration for measuring the primary features in a power system with DMMPS. Three independent channels are dedicated to the line currents. One channel is assigned to the homopolar current and the seven voltage channels are dedicated to the phase, homopolar and bus bar voltages.

06-07.11.2003, Timişoara, Romania 453 5. Traductoare instrumentale Traductorul instrumental (IT) este un circuit complex, funcţia sa de sumare fiind una în sens generic, incluzând funcţii speciale configurabile separat pe fiecare canal. Sumatorul este un circuit multifuncţional realizat în jurul unui multiplexor analogic performant. Acesta oferă accesul succesiv al mărimilor de ieşire ale senzorilor către sistemul numeric de prelucrare a informaţiei. Prelucrările pot fi realizate atât asupra semnalelor de la senzorii din noua generaţie (senzori optici sau divizoare rezistive) cât şi de la senzorii clasici existenţi în staţiile de medie şi înaltă tensiune (1A/5A, 100V). Prin intermediul funcţiei de sumare a traductorului instrumental, senzorii de curent şi de tensiune şi sistemele de măsurare convenţionale pot coexista cu cele din noua generaţie (fig.6). IT se pot cupla pe magistrale dedicate pentru a transmite informaţii privind nivelele de curent şi de tensiune, pentru monitorizarea extinsă a formelor de undă (valori sintetice, integrala de curent, etc.). Controlerul local (CL) localizează comenzile întreruptoarelor prin intermediul magistralei de proces şi controlerului comutaţiei (CC). Procesorul local transmite către traductorul instrumental comanda de selecţie a transformatorului de tensiune adecvat, ambele transformatoare fiind conectate la IT. Acţionarea întreruptorului aparţine modulului numeric de control al întreruptorului (DBC) îurma unui transfer de informaţii în modul punct-punct, analizei formei de undă şi a îndeplinirii unor intercondiţionări. Semnalele de la senzorii clasici pot fi distribuite fără probleme la orice IT din toată substaţia (fig.6). Conceptul de comnicaţie punct-punct (tot în curs de standardizare) este definit de standardul IEC 60044-8 şi adoptat de grupul de lucru WG12 al IEC prin standardul IEC 61850-9-1 [5]. Standardul presupune fluxuri de date şi stratificări identice ale aplicaţiilor ca şi IEC 60044-8, dar permite transmisia datelor în modul Ethernet, definind o interfaţă specială care permite interpolarea eşantioanelor de date. 5. Instrumental Transducers The instrumental transducer (IT) is a complex circuit with a generic adding function. This function includes special functions that can be configured separately on every channel. The adder is a multifunctional device built around a performant analog multiplexer that offers to the outputs of the sensors a selective access to the digital system. The analog conditioners may operate on both the outputs of the new generation sensors (optical sensors or voltage dividers) and the outputs of the conventional sensors (current and voltage transformers) already existent in the medium and high voltage stations. The adding function of the Instrumental Transducer allows the conventional transducers to be used along with the new optical sensors (figure 6). IT may be interconnected on dedicated buses for data communications. Current and voltage levels, waveforms and synthetic values of the measured features may be transmitted over the data buses. Local Controller (LC) identifies the location of the breakers' controllers searching on the process bus and the commutation controller (CC). The local processing device transmits the selection command for the appropriate measuring transformer, every voltage transformer being connected to its IT. The breaker tripping decision is taken in the Digital Breaker Controller (DBC), following a complex information transfer in point-to-point mode, next a waveform analysis and finally the verification of many inter-conditionings. Conventional transducers' outputs may be distributed with no problems to all ITs of all the substation in an analog way (fig.6). The point-to-point communication concept (also in the standardisation stage) is defined by the IEC 60044-8 and adopted by the Working Group WG12 in IEC 61850-9-1 [5]. This standard works with the same data flow and the same application layer as IEC 60044-8, but it allows the Ethernet mode in data transmission, defining a special interface that allows data samples' interpolation. Fig.7. Distribuţia erorilor la traductoarele numerice 6. Precizia totală de măsurare Din punct de vedere al preciziei, traductoarele cu transmisie numerică a informaţiei (fig.7) sunt superioare în ambele abordări posibile [5]: 6. Sensor Global Precision Novel current transducers with digital transmission of the information (figure 7) have better precision in both approaches [5]:

454 - pentru traductoare de acelaşi tip, transmisia numerică a semnalului de ieşire conferă o eroare sensibil redusă faţă de variantele analogice; - pentru aceeaşi valoare impusă a erorii instrumentale totale, varianta cu transmisie numerică a informaţiei este mai puţin restrictivă şi permite echiparea cu senzori mai ieftini, cu performanţe de precizie mai reduse. Noile traductoare au fost testate şi perfecţionate în ultimii ani, demonstrând calităţi deosebite şi avantaje indiscutabile. Obiectivul actual al proiectării sunt optimizările constructive pentru diferite nivele de tensiune şi configuraţii ale staţiilor sau sistemelor de medie sau înaltă tensiune în care urmează să fie amplasate. Finalizarea standardizării traductoarelor din noua generaţie va mări aplicabilitatea lor în energetică şi posibilitatea accesului la informaţiile primare prin intermediul reţelelor locale (LAN) sau globale (Internet), prin protocoale de tip Ethernet TCP/IP. 7. Concluzii Echipamentele moderne de monitorizare şi protecţie pentru staţii de înaltă tensiune au performanţe ridicate privind parametrii de intrare şi funcţionalitatea. Deoarece nu necesită transfer de putere de la sistemul monitorizat, CVT asociate pot fi proiectate având în vedere precizia, viteza şi nivelul de izolare. Pentru înlocuirea vechilor transformatoare de curent şi de tensiune sunt două direcţii de acţiune: - pentru sisteme de joasă şi medie tensiune, caracterizate de valori mari ale curentului de ascurtcircuit, inelul Rogowski pare să fie cel mai potrivit tip de traductor de curent, având cele mai bune performanţe în domeniul curenţilor mari; - pentru sisteme de înaltă tensiune, traductoarele de curent electro-optice bazate pe efectul Faraday par a fi cele mai potrivite datorită siguranţei şi performanţelor de izolare. Ambele tipuri de traductoare de curent sunt adecvate asocierii cu sisteme de achiziţia datelor (variantele cu transmisia mărimilor de ieşire în formă numerică). Primele exponente ale noii generaţii de astfel de traductoare au fost puse deja în funcţiune [1], CEI şi IEEE concentrându-şi atenţia pentru standardizarea acestora prin elaborarea condiţiilor de interschimbabilitate şi compatibilitate. Noile CVT reprezintă o opţiune reală, în atenţia proiectanţilor staţiilor şi substaţiilor moderne The 5 th International Power Systems Conference - for two transducers of the same type, the digital transmission of the output signal provides an important decrease of the error, compared with the analog devices; - for the same imposed value of the total instrumental error, the digital transmission is less prohibitive and permits the use of cheaper but lower precision sensors. New current transducers were tested and enhanced in the last years, proving best performances and undoubted technical advantages. In the present period of time, the designers are focused on the constructive optimisations for different voltage levels (medium and high) and for any configuration of the host distribution stations. The finalisation of the standardisation will increase the applicability of the novel sensors in power stations and the possibility to get the primary information by local Intranet or global Internet connections, using protocols based on Ethernet TCP/IP. 7. Conclusions The new digital monitoring and protection equipment for the high voltage stations has better performances regarding the input stages and functionality. As they do not need power transfer from the power system, the associated CVTs may have the main features focused on the precision, speed and isolations performances. There are two main directions in the replacement of the old current and voltage transformers. - For low and medium voltage systems, characterised by high short-circuit currents, Rogowski coil seems to be the most appropriate current transducer, as it has the best performance in the range of the very high currents. - For high voltage systems, the electro-optical current transducers based on the Faraday Effect are the best choice, as they exhibit the best isolation and reliability performances. Both types of current transducers are suitable for their conjunction with digital data aquisition systems, as they can be designed with digital data transmission. The first exponents of the new generation of CVT have already been put on the market [1], so CEI and IEEE Working Groups are focused on the standardisation, having already elaborated international rules for the interchangeability and the compatibility of all new sensors. In all new designs of high voltage stations and substations, the new CVT are a real option that must be considered. Bibliografie (References) 1. Blake J., Williams W., a.o.: Optical Current Transducers for High Voltage Applications, NxtPhase Corporation, July 10-th 2000 2. Chattock A.P.: On a Magnetic Potentiometer, Philosophical Magazine and Journal of Science, vol.xxiv, 5-th series, Jul-Dec 1887 3. Darfus J.: The Faraday Effect, Physics Department, The College of Wooster, Wooster, Ohio 44691, May 1, 1997 4. Gilbert J., Dewey R.: Linear Hall-Effect Sensors, Applications Information, Application Note 27702A - Allegro MicroSystems Inc., 2002 5. Gross R., Herrmann H.-J., Katschinski U. a.o.: Substation Control and Protection Systems for Novel Sensors, Cigre, Session 2000, 12/23/34-03 6. Koon W.: Current sensing for energy metering, Analog Devices Inc, June 2002 7. Williams P.A., Day G.W., Rose A.H.: Compensation for Temperature Dependence of Faraday Effect in Diamagnetic Materials: Application to Optical Fiber Sensors, Electronics Letters, Vol.27, No.13, 20-th June 1991