تکنالوژی‌ها و چالش‌های ترانسفورماتورهای الکترونیکی فشار قوی

Традиционные силовые трансформаторы сталкиваются с врожденными проблемами из-за своих датчиков. Они критически важны для мониторинга, управления и защиты электростанций (например, запись неисправностей, безопасное управление). Однако передача большого количества электроэнергии через информационные носители и отсутствие цифрового сигнального выхода от цифровых систем усложняют вторичную связь. Сложная вторичная проводка компенсирует высокую надежность микрокомпьютеров, упрощая защиту и вторичные устройства. Это новшество интегрирует вторичное оборудование в системы, ускоряя оцифровку/компьютеризацию подстанций и преобразуя автоматизацию/защиту энергосистем.

Электронные трансформаторы обеспечивают оптическую изоляцию передачи, но для записи/передачи сигналов по высоковольтным линиям требуется стабильное и надежное постоянное напряжение — ключевая техническая проблема, связанная с физикой. Переменное электромагнитное поле вокруг измеряемого высоковольтного проводника, которое можно получить методом электромагнитной индукции, является идеальным (энергия «самостимулируется», извлекается из и используется для измеряемого объекта на основе переменного электромагнитного возбуждения). Тем не менее, технические препятствия вынуждают полагаться на дорогостоящие методы (например, лазеры, микроволны). В данной статье исследуется саморегулирование питания с использованием передовых электронных технологий, включая оптическую связь и магнитные материалы.

1 Воздушный сердечник

На этом этапе высоковольтные ETA используют воздушные катушки в качестве чувствительных элементов. Низковольтные полупроводниковые лазеры, питаемые оптоволокном на высоковольтных модулированных линиях, преобразуют сигналы напряжения. Измеренные электрические данные (входящие как цифровые сигналы) приводят в действие светодиоды, с помощью которых оптоволокно передает сигналы на низковольтную сторону в виде оптических импульсов.

В отличие от традиционных обмоток трансформатора, воздушные катушки следуют строгим правилам: вторичные обмотки равномерно распределены на неметаллических магнитных каркасах (равномерное поперечное сечение); катушки имеют одинаковую форму; каждая обмотка должна быть перпендикулярно ориентирована относительно касательной к корпусу катушки (иначе увеличиваются ошибки измерений). Полуавтоматическая намотка часто не соответствует этим критериям на практике, что увеличивает потребление энергии при массовом производстве. Обычно точность конструкции воздушной катушки достигает максимума 0,1% (в среднем 2%).

Хотя температурные операции просты, стандарты IEC требуют четких количественных требований к вторичному выходу при номинальном токе — все начальные отклонения учитываются как ошибки измерений. Решение проблемы атомизации воздушных трансформаторов в производстве является критически важным. Трансформаторы с резистивными метками требуют специального одобрения (от Департамента электрических и механических услуг) для вторичного выхода, что затрудняет индустриализацию. Таким образом, необходимы новые структуры оптических датчиков воздушных катушек. С помощью технологии печатных плат исследователи разработали инновационные дизайны, повышающие точность и стабильность измерений.

2 Переходные характеристики

В высоковольтных сетях большая мощность системы приводит к постоянному, относительно длительному основному циклу. Реле защиты активируется во время переходных процессов, с длительными короткозамкнутыми токами. Чтобы обеспечить работу устройств защиты, трансформаторы должны оставаться слегка искаженными; второй выходной сигнал заменяет первый прерывный ток, и переходные дефекты в течение заданного времени не должны превышать допустимые пределы. Переходные характеристики электронных силовых трансформаторов на основе воздушных катушек являются ключевым преимуществом.

Интегратор с ограниченной временной константой восстанавливает измеренные электрические сигналы. Если в цепях есть йод-периодические компоненты, характеристики ошибок зависят больше от низкочастотных диапазонов. Более низкие частоты улучшают отслеживание и снижают ошибки (например, ослабление элемента открытия системы за 0,5 секунды требует, чтобы низкочастотная составляющая источника питания оставалась ниже 2 Гц для лучшего отслеживания демпфирующего цикла). При выключении воздушных токовых трансформаторов и интеграторов при нулевом первичном токе происходит более медленное затухание переходных процессов и ослабление выходного сигнала. Несовместимость с системами выключения в нулевой позиции вызывает ошибки измерений. Таким образом, проектирование и оптимизация интегратора критически важны для производительности воздушных трансформаторов.

3 Питание на высоковольтной стороне

Воздушные силовые трансформаторы используют «энерго-забирающие источники питания» для извлечения энергии из первичного проводника при высоком напряжении. Электронные цепи обеспечивают питание, но очень низкие первичные токи (например, ≤5% номинального тока) не позволяют токовым преобразователям поддерживать нормальное возбуждение или передавать энергию, создавая зону без питания. Проектирование оптоволоконного питания для высоковольтных модуляционных цепей низковольтных полупроводниковых лазеров сталкивается с высоким энергопотреблением (≈60 мВт).

Балансировка использования энергии и производительности является ключевой: при 30% эффективности фотоэлектрического преобразования полупроводниковые лазеры требуют как минимум 180 мВт выходной мощности — это сокращает их срок службы и повышает стоимость. Гибридные энергоносители решают эту проблему: KT обеспечивает питание при высоких первичных токах; лазерные источники питания продлевают срок службы при низких токах. Зависимость от лазеров рискует привести к отказу трансформатора, если они остановятся, поэтому нужны два оптических модулятора и умные стратегии управления (для предсказания переключения режимов и обработки коротких замыканий), что добавляет стоимость, но обеспечивает надежное питание.

4 Проектирование надежности

Электронные демпферы превосходят традиционные, но зависят от сложных технологий (например, передача технологий, экспертиза высокого напряжения), в конечном итоге заменяя их. Избыточность повышает надежность: каналы защиты используют двойные резервные воздушные катушки и преобразователи. Ключевые инструменты (например, модульные преобразователи питания) нуждаются в простой автоматизации. Защитные меры направлены на устранение воздействия короткого замыкания на циклы выборки и высокопроизводительные лазеры в каналах защиты ATM. Высокопроизводительные лазеры представляют опасность для операторов, но отключаются вместе с модулями питания, чтобы предотвратить опасности.