Tecnologías Clave y Desafíos de los Transformadores Electrónicos de Alta Tensión
Los transformadores de potencia tradicionales enfrentan problemas inherentes debido a sus sensores. Es crítico que sean vitales para el monitoreo, control y protección de las plantas de energía (por ejemplo, grabación de fallas, control de seguridad). Sin embargo, la transmisión de gran cantidad de energía eléctrica a través de portadores de información y la falta de salida de señal digital desde sistemas digitales complican la comunicación secundaria. El cableado secundario complejo compensa la alta confiabilidad de los microordenadores, simplificando la protección y los dispositivos secundarios. Esta innovación integrará el equipo secundario en sistemas, acelerando la digitalización/computarización de subestaciones y transformando la automatización/protección del sistema de potencia.
Los transformadores electrónicos manejan el aislamiento de transmisión óptica, pero las líneas de alta tensión para la grabación/transmisión de señales necesitan una fuente de alimentación DC estable y confiable, un desafío técnico clave basado en la física. Un campo electromagnético variable alrededor del conductor de alta tensión, obtenible por inducción electromagnética, es ideal (la energía es "auto-estimulante", extraída y utilizada para el objeto medido, basada en la estimulación electromagnética AC). Sin embargo, los obstáculos técnicos obligan a depender de métodos costosos (por ejemplo, láseres, microondas). Este documento explora la autorregulación de la fuente de alimentación a través de tecnologías electrónicas de vanguardia, cubriendo la comunicación óptica y los materiales magnéticos.
1 Bobina de núcleo de aire
En esta etapa, el ETA de alta tensión utiliza bobinas de núcleo de aire como elementos de detección. Las láseres semiconductores de baja tensión, alimentados por fibras ópticas en líneas moduladas de alta tensión, convierten las señales de voltaje. La información eléctrica medida (ingresada como señales digitales) impulsa los LED, con fibras ópticas transmitiendo las señales al lado de baja tensión como pulsos ópticos.
A diferencia del devanado de transformador tradicional, las bobinas de núcleo de aire siguen reglas estrictas: los devanados secundarios se distribuyen uniformemente en esqueletos magnéticos no metálicos (sección transversal uniforme); las bobinas comparten la misma forma; el plano horizontal de cada devanado debe alinearse perpendicularmente con la tangente de la carcasa de la bobina (de lo contrario, aumentan los errores de medición). El enrollado semimanual a menudo no cumple estos criterios en la práctica, aumentando el consumo de energía durante la producción en masa. Por lo general, la precisión estructural de las bobinas de núcleo de aire alcanza un máximo del 0,1% (promedio 2%).
Si bien la operación relacionada con la temperatura es simple, las normas IEC requieren requisitos cuantitativos claros para la salida secundaria bajo corriente nominal, todos los desvíos iniciales cuentan hacia los errores de medición. Resolver la atomización del transformador de núcleo de aire en la producción es crucial. Los transformadores con etiquetas de resistencia necesitan aprobación especial (del Departamento de Servicios Eléctricos y Mecánicos) para la salida secundaria, obstaculizando la industrialización. Por lo tanto, se necesitan nuevas estructuras de sensores ópticos de bobina de núcleo de aire. A través de la tecnología PCB, los investigadores desarrollaron diseños innovadores, mejorando la precisión y estabilidad de la medición.
2 Características transitorias
En redes de alta tensión, la gran capacidad del sistema lleva a un ciclo primario constante y relativamente largo. La protección por relés se activa durante las transiciones, con corrientes de cortocircuito de larga duración. Para garantizar la operación de los dispositivos de protección, los transformadores deben mantenerse ligeramente distorsionados; la segunda señal de salida reemplaza la primera corriente de interrupción, y los defectos transitorios dentro del tiempo establecido no deben exceder los límites. El rendimiento transitorio de los transformadores de potencia electrónicos basados en bobinas de núcleo de aire es una fortaleza clave.
Un integrador, con una constante de tiempo limitada, recupera las señales eléctricas medidas. Si los circuitos tienen componentes iódico-periódicos, las características de error dependen más de las frecuencias bajas. Las frecuencias más bajas mejoran el seguimiento y reducen los errores (por ejemplo, si el elemento de apertura de un sistema se debilita en 0,5 s, la frecuencia baja del convertidor de potencia debe mantenerse por debajo de 2 Hz para un mejor seguimiento del ciclo de amortiguación). Se produce un decaimiento transitorio más lento y una atenuación de la señal de salida cuando los transformadores de corriente de núcleo de aire e integradores se apagan a corriente primaria cero. La incompatibilidad con sistemas de apagado en posición cero causa errores de medición. Por lo tanto, el diseño y optimización del integrador son cruciales para el rendimiento del transformador de núcleo de aire.
3 Fuente de alimentación del lado de alta tensión
Los transformadores de potencia de núcleo de aire utilizan "fuentes de alimentación de toma de energía" para extraer energía del conductor primario a alta tensión. Los circuitos electrónicos proporcionan energía, pero las corrientes primarias muy bajas (por ejemplo, ≤5% de la corriente nominal) impiden que los convertidores de corriente mantengan la excitación normal o transmitan energía, creando una zona muerta de potencia. Diseñar la potencia de fibra óptica para los circuitos de modulación de alta tensión de los láseres semiconductores del lado de baja tensión enfrenta un alto consumo de energía (≈60 mW).
Equilibrar el uso de energía y el rendimiento es clave: con una eficiencia de conversión fotoeléctrica del 30%, los láseres semiconductores necesitan al menos 180 mW de salida, lo que reduce su vida útil y aumenta los costos. Los portadores de energía híbridos solucionan esto: KT suministra energía para corrientes primarias altas; los suministros basados en láseres extienden la vida útil para corrientes bajas. La dependencia de los láseres arriesga a que el transformador falle si se detienen, por lo que se necesitan dos moduladores ópticos y estrategias de control inteligente (para predecir el cambio de modo y manejar cortocircuitos), lo que aumenta el costo pero asegura una alimentación confiable.
4 Diseño de confiabilidad
Los amortiguadores electrónicos superan a los tradicionales, pero dependen de tecnologías complejas (por ejemplo, transferencia de tecnología, experiencia en alta tensión), reemplazándolos eventualmente. La redundancia mejora la confiabilidad: los canales de protección utilizan bobinas de núcleo de aire y convertidores doblemente redundantes. Las herramientas clave (por ejemplo, convertidores de módulos de potencia) necesitan automatización simple. Las medidas protectoras abordan los impactos de los cortocircuitos en los ciclos de muestreo y los láseres de alto rendimiento en los canales de protección ATM. Los láseres de alto rendimiento representan riesgos para los operadores, pero se apagan con los módulos de potencia para evitar peligros.
