Schlüsseltechnologien und Herausforderungen von Hochspannungs-Elektronenwandlern

Traditionelle Stromtransformer leiden an innewohnenden Problemen aufgrund ihrer Sensoren. Sie sind entscheidend für die Überwachung, Steuerung und den Schutz von Kraftwerken (z.B. Fehlerspeicherung, Sicherheitssteuerung). Allerdings erschweren die große elektrische Energieübertragung über Informationskanäle und das Fehlen einer digitalen Signalausgabe aus digitalen Systemen die sekundäre Kommunikation. Komplexe sekundäre Verkabelungen kompensieren die hohe Zuverlässigkeit von Mikrocomputern, vereinfachen den Schutz und sekundäre Geräte. Diese Innovation wird sekundäre Ausrüstungen in Systeme integrieren, die Digitalisierung/Computerisierung von Umspannwerken beschleunigen und die Automatisierung/Schutz von Stromsystemen transformieren.

Elektronische Transformer handhaben optische Transmissionsisolierung, jedoch benötigen Hochspannungsleitungen für die Signalaufzeichnung/Übertragung eine stabile, zuverlässige Gleichstromversorgung – ein zentrales technisches Problem, das physikalisch begründet ist. Ein veränderliches elektromagnetisches Feld um den gemessenen Hochspannungsleiter, erreichbar durch elektromagnetische Induktion, wäre ideal (Energie ist „selbstanregend“, wird aus dem Messobjekt entnommen und dafür verwendet, basierend auf AC-elektromagnetischer Anregung). Dennoch zwingen technische Hürden zur Verwendung kostspieliger Methoden (z.B. Laser, Mikrowellen). Dieser Artikel untersucht die Selbstregulierung der Versorgung mittels fortschrittlicher Elektroniktechnologie, einschließlich optischer Kommunikation und magnetischer Materialien.

1 Luftspulen

In dieser Phase verwenden Hochspannungs-ETA Luftspulen als Sensorelemente. Niederspannungs-Halbleiterlaser, die durch Lichtwellenleiter auf hochspannungsmodulierten Leitungen versorgt werden, konvertieren Spannungssignale. Gemessene elektrische Informationen (als digitale Signale eingespeist) treiben LEDs an, wobei Lichtwellenleiter die Signale als optische Impulse zur Niederspannungsseite übertragen.

Im Gegensatz zu traditionellen Transformatorwindungen folgen Luftspulen strikten Regeln: Sekundärwicklungen sind gleichmäßig auf nichtmetallischen magnetischen Skeletten (gleichmäßiges Querschnittsprofil) verteilt; Spulen haben die gleiche Form; jede Wicklung muss in der horizontalen Ebene senkrecht zur Tangente des Spulengehäuses ausgerichtet sein (ansonsten erhöhen sich Messfehler). Halbmanuelle Wicklungen erfüllen diese Kriterien in der Praxis oft nicht, was bei Massenproduktion den Energieverbrauch erhöht. Typischerweise erreicht die Strukturgenauigkeit von Luftspulen 0,1% (durchschnittlich 2%).

Während temperaturabhängige Betriebsbedingungen einfach sind, fordern IEC-Normen klare quantitative Anforderungen an die sekundäre Ausgabe unter Nennstrom – alle anfänglichen Abweichungen zählen zu Messfehlern. Die Lösung der Atomisierung von Luftspulentransformern in der Produktion ist entscheidend. Transformer mit Widerstandsbezeichnungen benötigen eine spezielle Genehmigung (vom Elektrotechnischen und Maschinentechnischen Dienst) für die sekundäre Ausgabe, was die Industrialisierung behindert. Daher sind neue Strukturen für optische Sensoren von Luftspulen erforderlich. Durch PCB-Technologie entwickelten Forscher innovative Designs, die die Messgenauigkeit und Stabilität verbessern.

2 Übergangscharakteristika

In Hochspannungsnetzen führt die große Systemkapazität zu einem konstanten, relativ langen Primärzyklus. Relais-Schutz schaltet während Übergängen ein, mit lang andauernden Kurzschlussströmen. Um den Betrieb von Schutzgeräten sicherzustellen, müssen Transformer leicht verzerrt bleiben; das zweite Ausgabesignal ersetzt den ersten Unterbrechungsstrom, und transiente Mängel innerhalb der festgelegten Zeit dürfen die Grenzwerte nicht überschreiten. Die transiente Leistung von auf Luftspulen basierenden elektronischen Stromtransformern ist ein wesentlicher Vorteil.

Ein Integrator mit begrenzter Zeitkonstante regeneriert die gemessenen elektrischen Signale. Wenn Schaltkreise jod-periodische Komponenten haben, hängen Fehlercharakteristiken stärker von niedrigen Frequenzen ab. Niedrigere Frequenzen verbessern die Nachführung und reduzieren Fehler (z.B. wenn ein Systemelement in 0,5 s schwächer wird, muss die Niederfrequenz des Stromwandler unter 2 Hz bleiben, um eine bessere Dämpfungskreisnachführung zu gewährleisten). Langsamere transiente Abklingzeiten und Ausgangssignalabschwächung treten auf, wenn Luftspulen-Stromtransformer und Integratoren bei Null-Primärstrom abschalten. Inkompatibilität mit Null-Position-Abschalt-Systemen verursacht Messfehler. Daher sind die Design- und Optimierung des Integrators entscheidend für die Leistung von Luftspulentransformern.

3 Hochspannungsseitige Versorgung

Luftspulen-Stromtransformer nutzen „energieziehende Versorgungen“, um Energie aus dem Primärleiter bei Hochspannung zu beziehen. Elektronische Schaltungen liefern die Energie, aber sehr niedrige Primärströme (z.B. ≤5% Nennstrom) verhindern, dass Stromwandler normale Anregung aufrechterhalten oder Energie übertragen können, was eine Energie-Totenzone erzeugt. Das Design von Glasfaser-Versorgungen für Hochspannungs-Modulationsschaltungen von Niederspannungs-Halbleiterlasern steht vor hohem Energieverbrauch (≈60mW).

Die Balance zwischen Energieverbrauch und Leistung ist entscheidend: Bei 30% photoelektrischer Wirkungsgrad benötigen Halbleiterlaser mindestens 180mW Ausgangsleistung – dies verkürzt ihre Lebensdauer und erhöht die Kosten. Hybrid-Energie-Träger lösen dieses Problem: KT liefert Energie für hohe Primärströme; laserbasierte Versorgungen verlängern die Lebensdauer bei niedrigen Strömen. Die Abhängigkeit von Lasern birgt das Risiko eines Transformatorausfalls, wenn sie versagen, daher sind zwei optische Modulatoren und intelligente Steuerungsstrategien (um Moduswechsel vorherzusagen und Kurzschlüsse zu bewältigen) erforderlich, was Kosten verursacht, aber eine zuverlässige Energieversorgung sicherstellt.

4 Zuverlässigkeitsdesign

Elektronische Dämpfer übertrumpfen traditionelle, verlassen sich aber auf komplexe Technologien (z.B. Technologietransfer, Hochspannungsexpertise) und ersetzen letztendlich diese. Redundanz erhöht die Zuverlässigkeit: Schutzkanäle verwenden doppelredundante Luftspulen und Konverter. Schlüsselwerkzeuge (z.B. Strommodule-Konverter) benötigen einfache Automatisierung. Schutzmaßnahmen adressieren die Auswirkungen von Kurzschlüssen auf Abtastzyklen und Hochleistungslasern in ATM-Schutzkanälen. Hochleistungslaser bergen Betriebsrisiken, schalten aber mit Strommodulen ab, um Gefahren zu vermeiden.