Magnetic field sensor arrays for current determination using spatial harmonics : application to measurements in electrical grids
Dispositif de magnétomètres pour la mesure de courant en exploitant les harmoniques d’espace : application aux réseaux électriques
Résumé
The evolution of electrical grids from conventional unidirectional power transmission to diverse networks with a large variety of electricity consumers and producers requires the development of advanced and/or novel measurement and communication technologies, in order to create smart grids. As a part of the SOGRID project, an innovative current measurement method was developed to supplement the existing range of current sensors and to facilitate the installation, since the sensor is not only non-intrusive but can also be located at a distance from the cable.The primary obstacle for precise current measurement in power grids is the three-phase nature of power transmission. A current sensor that is to be employed in the electrical grid must therefore provide geometrical selectivity between the individual phases. Existing commercial current sensors are non-intrusive but require placement around the conductor of interest, e.g. to measure the field along a closed path. Solutions include Rogowski coils, magnetoresistors, Hall effect or fluxgate sensors as well as magneto-optical solutions. However, a placement around the conductor limits the miniaturization required by smart grid development: miniature sensors can be integrated with other measurement and data transmission units, thus enabling the densely meshed monitoring and control of modern smart grids. In order to avoid these restrictions and to improve geometrical selectivity, a current measurement method based on the decomposition of the field into spatial harmonics has been developed in this thesis. The measurement principle allows for the fabrication of innovative current sensors that can be installed besides the conductor.The decomposition of the magnetic field into spatial harmonics is based on the development of the magnetic field within a defined area/volume in a series of products of periodic functions, a radial dependence and corresponding development coefficients, so that the sum of the (in theory infinite number of) development orders reconstructs the field accurately. If this development is performed for a source-free region besides the source of the field, it is defined as an internal decomposition, which uses functions that increase from the center of decomposition toward the field source. The current measurement process is based on the determination of the development coefficients for the various orders, wherein higher orders exhibit a reduced dependence on perturbing sources (as long as the field measurements are performed closer to the conductor of interest than to the perturbing conductor). The relation between these coefficients and the current of interest is linear and defined by transfer factors.In order to exploit the increased geometrical selectivity of higher orders, it is necessary to perform a sufficient number of magnetic field measurements on the boundary of a suitable area/volume in order to derive the development coefficients from the solution of an inverse problem. The size and positioning of this sensor array also plays a vital role in the detectability of higher order contributions to the field. Suitable 2D (for straight conductors) and 3D (for arbitrary conductor paths) prototypes were designed, implemented and subsequently tested in the laboratory during this thesis.Further developments focus on determining the characteristic transfer factors. While these can be easily determined if a known controlled current is induced in the conductor, a method that allows for their determination under real operating conditions must be developed for industrial applications. A suitable calibration method is presented in this thesis.
L'évolution des réseaux électriques d'une transmission de puissance unidirectionnelle classique vers un réseau diversifié avec, une grande variété de consommateurs et producteurs d'électricité, requiert le développement des technologies de mesure et de communication avancés et/ou nouvelles. Dans le cadre du projet SOGRID, une méthode innovante de mesure de courant a été développée pour enrichir la gamme existante des capteurs de courant et pour faciliter l’installation dans le réseau électrique. En effet, le capteur innovant développé ici est non seulement non-intrusif, mais peut également être déporté du câble.Dans les réseaux électriques, l'obstacle principal pour une mesure précise du courant est la nature triphasée de transmission de puissance. Un capteur de courant qui doit être utilisé dans le réseau électrique doit donc fournir une sélectivité géométrique entre les différentes phases. Les solutions commerciales existantes sont dites non-intrusives, mais nécessitent tout de même de venir entourer le conducteur d'intérêt pour mesurer le champ le long d'un chemin fermé. Ces solutions comprennent des bobines de Rogowski et les mesures en boucle fermée avec des capteurs de champs comme les magnétorésistances, les capteurs à effet Hall ou les fluxgates. Toutefois, un placement autour du conducteur limite la miniaturisation requise par le développement des réseaux intelligents : des capteurs miniatures peuvent être intégrés avec d'autres unités de mesure et de transmission de données pour permettre le suivi et le contrôle des réseaux intelligents modernes avec une maille plus dense.Afin de rependre à ces exigences, et pour améliorer la sélectivité géométrique des conducteurs, une méthode de mesure de courant basée sur la décomposition du champ en harmoniques spatiales a été développée dans cette thèse.Cette décomposition est basée sur le développement du champ magnétique à l'intérieur d'une région défini avec une série de fonctions périodiques angulaires, une loi d’évolution radiale particulière et des coefficients de développement correspondants, de sorte que la somme des ordres (théoriquement infini) de développement reconstruit le champ avec précision. Si ce développement est effectué pour une région sans sources, qui est donc entouré des sources de champ, il est défini comme une décomposition interne, qui utilise des fonctions croissantes du rayon, à partir du centre de décomposition en direction de la source de champ. Le procédé de mesure de courant est basé sur la détermination des coefficients de développement pour les différents ordres, dans lequel les ordres supérieurs présentent une dépendance réduite aux sources de perturbation (plus éloignes du conducteur d’intérêt). La relation entre ces coefficients et le courant d'intérêt est linéaire et défini par des facteurs de transfert.Afin d'exploiter la sélectivité géométrique accrue des ordres supérieurs, il est nécessaire d'effectuer un nombre suffisant de mesures du champ magnétique sur la limite d'une région appropriée afin de déduire les coefficients de développement à partir de la résolution d'un problème inverse. La taille et le positionnement de ce réseau de capteurs jouent des rôles essentiels dans la détectabilité des contributions d'ordre supérieur. Des prototypes appropriés pour une décomposition en 2D (pour les conducteurs rectilignes) et en 3D (pour les conducteurs avec des chemins arbitraires) ont été conçus, mis en œuvre et ensuite testés en laboratoire au cours de cette thèse.D'autres développements se concentrent sur la détermination des facteurs de transfert caractéristiques. En effet, tandis que ceux-ci peuvent être facilement déterminés si un courant contrôlé connu est introduit dans le conducteur, une méthode qui permet de les retrouver dans des conditions d'opération réelles doit être développée pour des applications industrielles. Afin de répondre à ce besoin, une méthode de calibration appropriée est aussi présentée dans cette thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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