Ключови технологии и предизвикателства на високонапрегнатите електронни трансформатори

Традиционните трансформатори за електроенергия срещат вътрешни проблеми поради своите сензори. Те са критични за мониторинга, контрола и защитата на електроцентрали (например, записване на дефекти, контрол на безопасността). Обачно, големият пренос на електрическа енергия чрез носители на информация и липсата на цифров изходен сигнал от цифровите системи усложняват вторичната комуникация. Комплексната вторична проводка компенсира високата надеждност на микрокомпютрите, опростявайки защитата и вторичните устройства. Това нововъведение ще интегрира вторичното оборудване в системи, ускорявайки дигитализацията/компютризирането на електроустановките и преобразувайки автоматизацията/защитата на електроенергийната система.

Електронните трансформатори обработват оптичната изолация на преноса, но високонапрастните линии за запис и пренос на сигнали изискват стабилен и надежден DC източник на напрежение – ключов технически предизвикателство, коренящо се в физиката. Променливото електромагнитно поле около измерваната високонапрежителна жица, което може да бъде получено чрез електромагнитна индукция, е идеално (енергията е „самостимулираща“, извлечена и използвана за измерваната цел, основана на AC електромагнитна стимулация). Въпреки това, техническите трудности принуждават до използването на скъпи методи (например, лазери, микровълни). Този документ разглежда саморегулирането на източника на напрежение чрез съвременна електронна технология, включваща оптична комуникация и магнитни материали.

1 Въздушна катушка

В този етап, високонапрежителните ETA използват въздушни катушки като сензорни елементи. Нисконапрежителни полупроводникови лазери, питащи се чрез оптични влакна по високонапрежителни модулирани линии, преобразуват сигналите на напрежението. Измерената електрическа информация (входяща като цифрови сигнали) активира LED-овете, а оптичните влакна пренасят сигналите към нисконапрежителната страна като оптични импулси.

В противоположност на традиционните трансформаторни витки, въздушните катушки следват строги правила: вторичните витки са равномерно разпределени върху неметални магнитни скелети (равномерен поперечен сечение); катушките споделят еднаква форма; всяка витка трябва да е перпендикулярна на тангента на обвивката на катушката (в противен случай, грешките в измерването се увеличават). Полуручното виткане често не удовлетворява тези критерии в практиката, увеличавайки енергопотреблението при масовото производство. Типично, точността на структурата на въздушната катушка достига 0,1% (средно 2%).

Въпреки че температурната работа е проста, стандартите IEC изискват ясни количествени изисквания за вторичния изход при номиналния ток – всички начални отклонения се считат за грешки в измерването. Решаването на атомизацията на въздушните трансформатори в производството е ключово. Трансформаторите с етикети за съпротивление изискват специално одобрение (от Отдела за електрически и механични услуги) за вторичния изход, затруднявайки индустриализацията. Следователно, са необходими нови структури на оптични сензори за въздушни катушки. Чрез PCB технология, изследователите разработиха иновативни дизайни, повишавайки точността и стабилността на измерванията.

2 Преходни характеристики

В високонапрежителните мрежи, големият капацитет на системата води до постоянен, относително дълъг първичен цикъл. Релейната защита се активира по време на преходи, с продължителни токове при краткосрочни замыкания. За да се гарантира функционирането на устройствата за защита, трансформаторите трябва да останат леко деформирани; вторичният изходен сигнал заменя първия прекъснат ток, и преходните дефекти в зададен период от време не трябва да надхвърлят границите. Преходните характеристики на електронните трансформатори, базирани на въздушни катушки, са ключово преимущество.

Интегратор с ограничен времеви констант възстановява измерените електрически сигнали. Ако веригите имат йод-периодични компоненти, характеристиките на грешките зависят повече от ниските честоти. По-ниските честоти подобряват следенето и намаляват грешките (например, слабеещият елемент на системата в 0,5 секунди изисква ниската честота на преобразувателя на мощността да остане под 2 Hz за подобряване на демпфированието на цикъла). По-бавното преходно затихване и затихване на изходния сигнал се случват, когато въздушните токови трансформатори и интеграторите се изключват при нулев първичен ток. Неосъвместимостта с системи за изключване при нулева позиция причинява грешки в измерването. Следователно, проектирането и оптимизирането на интеграторите са ключови за производителността на въздушните трансформатори.

3 Извареждане на напрежение на високонапрежителната страна

Въздушните трансформатори за мощност използват „извареждащи източници на напрежение“ за вземане на енергия от първичния проводник при високо напрежение. Електронните вериги предоставят мощност, но много ниски първични токове (например, ≤5% от номиналния ток) не позволяват на токовите преобразуватели да поддържат нормална екситация или да пренасят енергия, създавайки зона без мощност. Проектирането на оптична мощност за нисконапрежителните полупроводникови лазери в високонапрежителните модулиращи вериги се сблъсква с високо енергопотребление (≈60mW).

Балансирането на използването на енергия и производителността е ключово: с 30% ефективност на фотоелектричното преобразуване, полупроводниковите лазери изискват поне 180mW изход – съкращавайки тяхната продължителност на живота и повишавайки разходите. Хибридни носители на енергия решават това: KT предоставя мощност при високи първични токове; лазерните източници на мощност удължават продължителността на живота при ниски токове. Зависимостта от лазерите рискува трансформаторите да се повредят, ако те спрат, така че са необходими два оптични модулатора и умни стратегии за управление (за предвиждане на превключване на режими и обработка на краткосрочни замыкания), добавяйки разходи, но осигурявайки надеждна мощност.

4 Проектиране на надеждност

Електронните демпфери превъзхождат традиционните, но зависят от комплексни технологии (например, трансфер на технологии, високонапрежителна експертиза), в крайна сметка ги заменяйки. Резервността повишава надеждността: каналите за защита използват двойно резервни въздушни катушки и преобразуватели. Ключови инструменти (например, преобразуватели на мощностни модули) изискват проста автоматизация. Мерки за защита се справят с влиянието на краткосрочните замыкания върху циклите на пробиране и високопроизводителните лазери в канали за защита на ATM. Високопроизводителните лазери представляват риск за операторите, но изключват с мощностните модули, за да се предотвратят опасностите.