فناوری‌ها و چالش‌های کلیدی ترانسفورماتورهای الکترونیکی با فشار بالا
ترانسفورماتورهای برق سنتی مشکلات ذاتی به دلیل حسگرهای آنها دارند. این حسگرها برای نظارت، کنترل و حفاظت از نیروگاه‌ها (مثلاً ضبط خطا، کنترل ایمنی) بسیار مهم هستند. با این حال، انتقال انرژی الکتریکی زیاد از طریق حامل‌های اطلاعات و فقدان خروجی سیگنال دیجیتال از سیستم‌های دیجیتال، ارتباط ثانویه را پیچیده می‌کند. سیم‌بندی ثانویه پیچیده جبران قابلیت اطمینان بالای رایانه‌های کوچک را فراهم می‌کند و حفاظت و دستگاه‌های ثانویه را ساده‌تر می‌کند. این نوآوری تجهیزات ثانویه را در سیستم‌ها یکپارچه می‌کند، سرعت دیجیتال‌سازی/رایانه‌ای‌سازی زیرстанسیون‌ها را افزایش می‌دهد و تبدیل اتوماتیک/حفاظت سیستم برق را تغییر می‌دهد.
ترانسفورماتورهای الکترونیکی از عایق‌بندی انتقال نوری استفاده می‌کنند، اما خطوط فشار بالا برای ضبط/انتقال سیگنال به منبع تغذیه مستقر و قابل اعتماد DC نیاز دارند- یک چالش فنی کلیدی که در فیزیک ریشه دارد. یک میدان مغناطیسی متغیر در اطراف رساننده فشار بالای مورد سنجش، که از طریق القای مغناطیسی قابل دسترسی است، مطلوب است (انرژی "خود-stimulating" است، از شیء مورد سنجش استخراج شده و برای آن استفاده می‌شود، براساس القای مغناطیسی AC). با این حال، موانع فنی مجبور به استفاده از روش‌های گران‌قیمت (مانند لیزر، مایکروویو) می‌کند. این مقاله به تنظیم خودکار تغذیه از طریق تکنولوژی‌های الکترونیکی پیشرفته می‌پردازد، شامل ارتباطات نوری و مواد مغناطیسی.
1 سیم‌پیچ هسته‌ای
در این مرحله، ETA فشار بالا از سیم‌پیچ‌های هسته‌ای به عنوان المان‌های حسگر استفاده می‌کند. لیزرهای نیمه‌رسانا با فشار پایین، که توسط الیاف نوری روی خطوط مدوله‌شده فشار بالا تغذیه می‌شوند، سیگنال‌های ولتاژ را تبدیل می‌کنند. اطلاعات الکتریکی مورد سنجش (به عنوان سیگنال‌های دیجیتال ورودی) LEDها را راه‌اندازی می‌کند و الیاف نوری سیگنال‌ها را به سمت فشار پایین به صورت نوک‌های نوری منتقل می‌کنند.
با توجه به اینکه سیم‌پیچ‌های هسته‌ای قوانین دقیقی را دنبال می‌کنند: سیم‌پیچ‌های ثانویه به صورت یکنواخت بر روی اسکلت‌های مغناطیسی غیرفلزی (بخش مقطع یکنواخت) توزیع می‌شوند؛ سیم‌پیچ‌ها همان شکل را دارند؛ هر سیم‌پیچ باید در صفحه عمودی خود با خط مماس سیم‌پیچ موازی باشد (در غیر این صورت، خطاهای اندازه‌گیری افزایش می‌یابد). سیم‌پیچ دستی یا نیمه‌دستی غالباً در عمل این معیارها را برآورده نمی‌کند و مصرف انرژی در تولید انبوه را افزایش می‌دهد. معمولاً، دقت ساختاری سیم‌پیچ‌های هسته‌ای به 0.1٪ (میانگین 2٪) می‌رسد.
اگرچه عملکرد مرتبط با دما ساده است، استانداردهای IEC الزامات کمیتی واضحی برای خروجی ثانویه تحت جریان اسمی تعیین می‌کنند- همه انحرافات اولیه به عنوان خطاهای اندازه‌گیری محاسبه می‌شوند. حل مسئله تجزیه سیم‌پیچ‌های هسته‌ای در تولید حیاتی است. ترانسفورماتورهای با برچسب‌های مقاومت نیاز به تایید خاص (از سوی دپارتمان خدمات برق و مکانیکی) برای خروجی ثانویه دارند که صنعتی‌سازی را محدود می‌کند. بنابراین، نیاز به ساختارهای جدید حسگر نوری سیم‌پیچ‌های هسته‌ای وجود دارد. با استفاده از تکنولوژی PCB، پژوهشگران طراحی‌های نوآوری را توسعه داده‌اند که دقت و پایداری اندازه‌گیری را افزایش می‌دهند.
2 ویژگی‌های موقتی
در شبکه‌های فشار بالا، ظرفیت سیستم بزرگ منجر به یک چرخه اولیه مداوم و نسبتاً طولانی می‌شود. محافظ‌های رله در دوره‌های انتقال فعال می‌شوند، با جریان‌های کوتاه‌مداری طولانی‌مدت. برای اطمینان از عملکرد دستگاه‌های محافظ، ترانسفورماتورها باید کمی تحریف شوند؛ سیگنال خروجی ثانویه جایگزین جریان مقطع اولیه می‌شود و نقص‌های موقتی در مدت زمان تعیین‌شده نباید حد مجاز را تجاوز کنند. عملکرد موقتی ترانسفورماتورهای برق الکترونیکی مبتنی بر سیم‌پیچ‌های هسته‌ای یک قدرت کلیدی است.
انتگرال‌گیر با ثابت زمانی محدود سیگنال‌های الکتریکی مورد سنجش را بازیابی می‌کند. اگر مدارها مؤلفه‌های ید-دوره‌ای داشته باشند، ویژگی‌های خطا بیشتر به فرکانس‌های پایین‌تر بستگی دارد. کاهش فرکانس‌های پایین‌تر پیگیری را بهبود می‌بخشد و خطاهای را کاهش می‌دهد (مثلاً، ضعیف شدن عنصر باز کننده یک سیستم در 0.5 ثانیه نیاز به این دارد که فرکانس پایین ترانسفورماتور انرژی کمتر از 2Hz باشد برای پیگیری بهتر چرخه میرا). کاهش آهسته موقتی و کاهش سیگنال خروجی زمانی رخ می‌دهد که ترانسفورماتورهای جریان هسته‌ای و انتگرال‌گیر در جریان اولیه صفر خاموش می‌شوند. عدم سازگاری با سیستم‌های خاموش‌کننده موقعیت صفر خطاهای اندازه‌گیری را ایجاد می‌کند. بنابراین، طراحی و بهینه‌سازی انتگرال‌گیر برای عملکرد ترانسفورماتورهای هسته‌ای بسیار مهم است.
3 تغذیه سمت فشار بالا
ترانسفورماتورهای برق هسته‌ای از "منابع تغذیه گیرنده انرژی" برای گرفتن انرژی از رساننده اولیه در فشار بالا استفاده می‌کنند. مدارهای الکترونیکی تغذیه ارائه می‌دهند، اما جریان‌های اولیه بسیار کم (مثلاً ≤5٪ جریان اسمی) مانع از حفظ تحریک عادی یا انتقال انرژی ترانسفورماتورهای جریان می‌شود، منطقه مرده‌ای از انرژی ایجاد می‌کند. طراحی تغذیه الیاف نوری برای مدارهای مدوله‌شده فشار بالای لیزرهای نیمه‌رسانا سمت پایین با مصرف انرژی بالا (≈60mW) مواجه است.
تعادل بین استفاده از انرژی و عملکرد کلیدی است: با 30٪ کارایی تبدیل نوری-الکتریکی، لیزرهای نیمه‌رسانا نیاز به حداقل 180mW خروجی دارند- که عمر مفید آنها را کاهش می‌دهد و هزینه‌ها را افزایش می‌دهد. حمل‌کننده‌های هیبریدی انرژی این مسئله را حل می‌کنند: KT برای جریان‌های اولیه بالا تغذیه ارائه می‌دهد؛ منابع تغذیه مبتنی بر لیزر عمر مفید را برای جریان‌های کم افزایش می‌دهند. وابستگی به لیزرها در صورت توقف آنها خطر خرابی ترانسفورماتور را می‌آورد، بنابراین نیاز به دو مدولاتور نوری و استراتژی‌های کنترل هوشمند (برای پیش‌بینی تغییر حالت و مدیریت کوتاه‌مداری) وجود دارد، که هزینه را افزایش می‌دهد اما تضمین می‌کند که تغذیه قابل اعتماد باشد.
4 طراحی قابلیت اطمینان
دمپرها الکترونیکی عملکرد بهتری نسبت به دمپرهای سنتی دارند اما به تکنولوژی‌های پیچیده (مثلاً انتقال تکنولوژی، تخصص فشار بالا) وابسته هستند، در نهایت جایگزین آنها می‌شوند. افزایش قابلیت اطمینان: کانال‌های محافظ از دمپرهای هسته‌ای دوگانه و ترانسفورماتورهای دوگانه استفاده می‌کنند. ابزارهای کلیدی (مانند ترانسفورماتورهای ماژول توان) نیاز به خودکارسازی ساده دارند. اقدامات محافظ برای رسیدگی به تأثیر کوتاه‌مداری بر چرخه‌های نمونه‌برداری و لیزرهای با عملکرد بالا در کانال‌های محافظ ATM وجود دارد. لیزرهای با عملکرد بالا خطراتی برای اپراتورها دارند اما با خاموش شدن ماژول‌های توان از خطرات جلوگیری می‌کنند.
