Klíčové technologie a výzvy vysokonapěťových elektronických transformátorů

Tradiční transformátory elektrické energie čelí vnitřním problémům spojeným s jejich senzory. Jsou klíčové pro monitorování, řízení a ochranu elektráren (např. záznam poruch, bezpečnostní řízení). Nicméně, velký přenos elektrické energie prostřednictvím nosičů informací a nedostatek digitálního signálového výstupu z digitálních systémů komplikuje sekundární komunikaci. Složité sekundární zapojení kompenzuje vysokou spolehlivost mikropočítačů, což zjednodušuje ochranu a sekundární zařízení. Tato inovace integruje sekundární vybavení do systémů, urychluje digitalizaci/počítačovou technologii podstanic a transformuje automatizaci/ochranu elektrických systémů.

Elektronické transformátory zvládají optickou izolaci přenosu, ale vysokonapěťové vedení pro záznam/přenos signálů potřebuje stabilní a spolehlivé stejnosměrné napájení – klíčový technický problém založený na fyzice. Proměnné magnetické pole kolem měřeného vysokonapěťového vodiče, získané elektromagnetickou indukcí, je ideální (energie je „samoodpalovalná“, extrahovaná a použitá pro měřený objekt, založena na střídavé elektromagnetické stimulaci). Stále však technické překážky nutí k používání nákladných metod (např. lazerů, mikrovln). Tento článek zkoumá samořídící se zdroje napájení prostřednictvím nejnovější elektronické technologie, pokrývající optickou komunikaci a magnetické materiály.

1 Dřevěné cívky

V této fázi vysokonapěťové ETA používají dřevěné cívky jako čidlo. Níkonapěťové polovodičové lazers, napájené optickými vlákny na vysokonapěťových modulovaných čárách, konvertní signály napětí. Měřené elektrické informace (vstup jako digitální signály) ovládají LED, které optickými vlákny přenášejí signály na níkonapěťovou stranu jako optické pulsy.

Na rozdíl od tradičních cívek transformátorů, dřevěné cívky dodržují striktní pravidla: Sekundární cívkování je rovnoměrně distribuováno na nemagnetických kostrách (stejnorodý průřez); cívky mají stejný tvar; každé cívkování musí být ve vodorovné rovině kolmé k tečně obalu cívky (jinak se zvyšují měřicí chyby). Polo-manuální cívkování často v praxi tyto kritéria nesplňuje, což zvyšuje spotřebu energie při masové výrobě. Typicky, přesnost struktury dřevěných civek dosahuje maximálně 0,1% (průměrně 2%).

Při provozu souvisejícím s teplotou je jednoduché, ale normy IEC stanovují jasné kvantitativní požadavky na sekundární výstup při nominálním proudu – všechny počáteční odchylky se počítají do měřicích chyb. Řešení atomizace dřevěných transformátorů v produkci je klíčové. Transformátory s odporem potřebují speciální schválení (od oddělení Elektrotechnických a Mechanických služeb) pro sekundární výstup, což brání industrializaci. Proto jsou potřeba nové struktury optických čidel dřevěných civek. Výzkumníci pomocí PCB technologií vyvinuli inovativní návrhy, které zlepšují přesnost a stabilitu měření.

2 Přechodové charakteristiky

V vysokonapěťových sítích vede velká kapacita systému k trvalému, relativně dlouhému primárnímu cyklu. Spouští se relé ochrany během přechodových stavů, s dlouhodobými krátkozaměřovacími proudy. Aby bylo zajištěno fungování ochranných zařízení, transformátory musí zůstat mírně deformované; druhý výstupní signál nahrazuje první přerušovací proud, a přechodové defekty v daném čase nesmějí přesáhnout limity. Přechodové vlastnosti elektronických transformátorů založených na dřevěných civek jsou klíčovým předstihem.

Integrující obvod s omezenou časovou konstantou obnovuje měřené elektrické signály. Pokud obvody mají jod-periodické složky, závislost chyb závisí více na nízkofrekvenčních frekvencích. Nižší frekvence zlepšují sledování a snižují chyby (např. oslabení otvíracího prvku systému za 0,5s vyžaduje, aby nízkofrekvenční frekvence převodníku energie zůstala pod 2Hz pro lepší sledování tlumeného cyklu). Pomalejší přechodové útlumy a útlumy výstupních signálů nastávají, když se dřevěné proudové transformátory a integrující obvody vypínají při nulovém primárním proudu. Neslučitelnost s vypínacími systémy v nulové poloze způsobuje měřicí chyby. Proto je návrh a optimalizace integrujících obvodů klíčové pro výkon dřevěných transformátorů.

3 Zdroj napájení na vysokonapěťové straně

Dřevěné transformátory elektrické energie používají „energetické zdroje napájení“ k čerpání energie z primárního vodiče při vysokém napětí. Elektronické obvody poskytují energii, ale velmi nízké primární proudy (např. ≤5% nominálního proudu) nedovolují proudovým převodníkům udržovat normální excitační stav nebo přenášet energii, což vytváří energetickou mrtvou zónu. Navrhování optického napájení pro níkonapěťové polovodičové lazers v vysokonapěťových modulačních obvodech čelí vysoké spotřebě energie (≈60mW).

Klíčové je vyrovnat spotřebu energie a výkon: s 30% efektivitou fotoelektrické konverze, potřebují polovodičové lazers alespoň 180mW výstupu – což zkracuje jejich životnost a zvyšuje náklady. Hybridní nosiče energie toto řeší: KT poskytuje energii pro vysoké primární proudy; lazerové zdroje prodlužují životnost pro nízké proudy. Závislost na lazerech přináší riziko selhání transformátoru, pokud lazer přestane fungovat, proto jsou potřeba dva optické modulátory a inteligentní strategie řízení (pro predikci změny režimu a zpracování krátkých obvodů), což zvyšuje náklady, ale zajišťuje spolehlivé napájení.

4 Návrh spolehlivosti

Elektronické tlumiče překonávají tradiční, ale spoléhají na komplexní technologie (např. přenos technologií, odbornost na vysoké napětí), které je nakonec nahradí. Redundance zvyšuje spolehlivost: ochranné kanály používají dvojitě redundantní dřevěné cívky a převodníky. Klíčové nástroje (např. převodníky energie) potřebují jednoduchou automatizaci. Ochranná opatření řeší dopady krátkých obvodů na vzorkovací cykly a vysokovýkonné lazers v ochranných kanálech ATM. Vysokovýkonné lazers představují riziko pro operátory, ale vypínají se s moduly energie, aby zabránily nebezpečí.