Investigating the Effect of Eccentric Conductor Positions on a Rogowski Coil in Laboratory and Finite Element Method Simulations

Abstract

Endringer i strukturen til kraftsystemet gir nye muligheter og utfordringer for drift og vern av nettet. De siste årene har det kommet digitale nettstasjoner, men disse installasjonene skjer ikke over natten, og det kreves derfor nye flerteknologiløsninger. Rogowskispolen er en lovende strømsensor som har fordeler i verninstallasjoner. En stor fordel er at luftkjernen aldri mettes i motsetning til konvensjonelle strømtransformatorer med jernkjerne. Samtidig er det utfordringer som må løses. Den påvirkes av flere faktorer og i løsninger med differensialbeskyttelsesreléer kan dette forårsake uønskede feil.

Målenøyaktigheten til en rogowskispole testes i et laboratorieoppsett. Posisjonen på lederen endres for å undersøke hvordan dette påvirker utputten. Resultatene viser ingen åpenbare trender i utputten når lederposisjonen endres, men generelt endres feilen når lederen flyttes bort fra sentrum. Feilen til rogowskispolen som testes er generelt ganske høy med hele 1,6% feil i sentrert posisjon. Feilen endres deretter med opptil 0,25 prosentpoeng når lederen flyttes ut fra sentrum.

En modell lages med endelige elementers metode for en rogowskispole og konfigureres til å etterligne den som ble brukt i eksperimentet. Modellen lages i 3D i en flerfysikksplattform. Modellen testes i ulike konfigurasjoner og parametere. Først har spolen 16 viklinger, og feilen som måles i forhold til den sentrerte lederposisjonen er mye høyere enn de som ble målt i laboratoriet. Feilene viser også trender i hvordan lederposisjonen påvirker feilen. For å forsøke å gjenskape resultatene fra eksperimentet blir det forsøkt å gjøre viklingstettheten mer tilfeldig, slik at den i større grad kan gjenspeile hvordan viklingene blir laget i virkeligheten. Resultatene blir noe endret, men etterligner ikke resultatene fra eksperimentene i særlig grad. Antall viklinger blir så økt til 48 og testene repeteres. De resulterende feilene er nå cirka like store som de som ble målt i laboratoriet.

Laboratorieoppsettet har flere begrensninger som bør fikses. Deretter kan forbedrede tester brukes til å verifisere modellen. Bruken av en endelige elementers metode-modell er en verdifull metode for å forske på rogowskispolen ettersom man enkelt kan undersøke ikke-ideelle konfigurasjoner. Modellen kan også utvides med en integrator og kompenseringsteknikker. Dette gir flere muligheter for å utvikle løsninger som gjør at rogowskispolen en brukbar sensor i flerteknologiløsninger i vern og for pålitelig operasjon av systembeskyttelsesløsninger.

Changes in the power system structure create new possibilities and challenges in the protection and operation of the grid. Digital substations are emerging, but these installations are not done overnight, and hence the transitions require new thinking in terms of interoperability in protection applications. The Rogowski coil (RC) is a current sensor which offers benefits in protection schemes. Preeminently that the air core does not saturate, compared to conventional iron core current transformers (CTs). But challenges limit its current applications. It is affected by several influencing quantities and in differential protection schemes this can cause malfunctioning.

A test rig is developed, and the measurement accuracy of a RC is tested in the setup. The conductor position is adjusted to investigate the effect on the output. The overall accuracy is about 1.6% error in the centered position. The accuracy changes up to 0.25 percentage points with the eccentric configuration. The RC output varies based on where the conductor is located, but trends in how conductor adjustments affect the error is not obvious.

A finite element method (FEM) model is created for a RC configuration similar to the one used in laboratory tests. The model is created using 3D geometry in a multiphysics environment. The model is tested with several configurations and parameter changes. Initial tests with 16 turns result in composite errors with a magnitude which is a lot higher than what is achieved in the laboratory tests. To investigate how randomness in the winding distribution affects the output, an inhomogeneous winding distribution is used. The resulting output is only slightly changed compared to the homogeneous test. With 48 homogeneously distributed turns the error resembles the values achieved in the lab, but with clear patterns related to how the conductor adjustments affects the error.

The laboratory setup has several limitations which should be improved. It can then be used to verify the FEM model. Using a FEM model is a valuable method of researching the RC as it can assess nonideal configurations. It can also be extended to utilize an integrator and compensation techniques which can be designed to improve the accuracy. This can make the RC a viable current transducer in interoperable protection applications and reliable system protection scheme (SPS) operation.