Technologies clés et défis des transformateurs électroniques haute tension

Les transformateurs électriques traditionnels sont confrontés à des problèmes inhérents liés à leurs capteurs. Ils sont essentiels pour la surveillance, le contrôle et la protection des centrales électriques (par exemple, l'enregistrement des défauts, le contrôle de sécurité). Cependant, la transmission d'une grande quantité d'énergie électrique via des supports d'information et l'absence de sortie de signal numérique des systèmes numériques compliquent la communication secondaire. Un câblage secondaire complexe compense la haute fiabilité des micro-ordinateurs, rationalisant ainsi la protection et les dispositifs secondaires. Cette innovation intégrera les équipements secondaires dans les systèmes, accélérant la numérisation/informatisation des postes électriques et transformant l'automatisation/protection des systèmes électriques.

Les transformateurs électroniques gèrent l'isolation de la transmission optique, mais les lignes à haute tension nécessitent une alimentation DC stable et fiable pour l'enregistrement/transmission des signaux - un défi technique majeur enraciné dans la physique. Un champ électromagnétique variable autour du conducteur haute tension, obtenable par induction électromagnétique, est idéal (l'énergie est "auto-stimulante", extraite et utilisée pour l'objet mesuré, basée sur une stimulation électromagnétique alternative). Néanmoins, des obstacles techniques obligent à recourir à des méthodes coûteuses (par exemple, lasers, micro-ondes). Cet article explore l'auto-régulation de l'alimentation via des technologies électroniques de pointe, couvrant la communication optique et les matériaux magnétiques.

1 Bobine à noyau d'air

Dans cette phase, les ETA haute tension utilisent des bobines à noyau d'air comme éléments de détection. Des lasers semi-conducteurs basse tension, alimentés par des fibres optiques sur des lignes modulées haute tension, convertissent les signaux de tension. Les informations électriques mesurées (entrées sous forme de signaux numériques) activent des LED, avec des fibres optiques transmettant les signaux vers le côté basse tension sous forme de pulsations optiques.

Contrairement au bobinage des transformateurs traditionnels, les bobines à noyau d'air suivent des règles strictes : les enroulements secondaires sont répartis uniformément sur des squelettes magnétiques non métalliques (section transversale uniforme); les bobines partagent la même forme; chaque enroulement doit être aligné perpendiculairement à la tangente de la coque de la bobine (sinon, les erreurs de mesure augmentent). Le bobinage semi-manuel ne répond souvent pas à ces critères en pratique, augmentant la consommation d'énergie lors de la production en série. Généralement, la précision structurelle des bobines à noyau d'air atteint un pic de 0,1% (moyenne de 2%).

Bien que l'exploitation liée à la température soit simple, les normes IEC imposent des exigences quantitatives claires pour la sortie secondaire sous courant nominal - toutes les déviations initiales comptent pour les erreurs de mesure. Résoudre l'atomisation des transformateurs à noyau d'air en production est crucial. Les transformateurs avec des étiquettes de résistance nécessitent une approbation spéciale (du Département des Services Électriques et Mécaniques) pour la sortie secondaire, freinant l'industrialisation. Ainsi, de nouvelles structures de capteurs optiques à base de bobines à noyau d'air sont nécessaires. Grâce à la technologie PCB, des chercheurs ont développé des conceptions innovantes, améliorant la précision et la stabilité des mesures.

2 Caractéristiques transitoires

Dans les réseaux haute tension, une grande capacité de système conduit à un cycle primaire constant et relativement long. La protection relais s'active pendant les transitions, avec des courants de court-circuit de longue durée. Pour garantir le fonctionnement des dispositifs de protection, les transformateurs doivent rester légèrement distordus; le signal de sortie secondaire remplace le premier courant d'interruption, et les défauts transitoires dans un temps défini ne doivent pas dépasser les limites. Les performances transitoires des transformateurs électroniques à base de bobines à noyau d'air sont un atout majeur.

Un intégrateur, avec une constante de temps limitée, récupère les signaux électriques mesurés. Si les circuits ont des composants iodo-périodiques, les caractéristiques d'erreur dépendent davantage des fréquences basses. Des fréquences plus basses améliorent le suivi et réduisent les erreurs (par exemple, l'affaiblissement d'un élément d'ouverture d'un système en 0,5 seconde nécessite que la fréquence basse du convertisseur de puissance reste inférieure à 2 Hz pour un meilleur suivi du cycle d'amortissement). Une décroissance transitoire plus lente et une atténuation du signal de sortie se produisent lorsque les transformateurs de courant à noyau d'air et les intégrateurs s'arrêtent à un courant primaire nul. L'incompatibilité avec les systèmes d'arrêt en position zéro cause des erreurs de mesure. Ainsi, la conception et l'optimisation de l'intégrateur sont cruciales pour les performances des transformateurs à noyau d'air.

3 Alimentation du côté haute tension

Les transformateurs de puissance à noyau d'air utilisent des "alimentations prenant de l'énergie" pour extraire de l'énergie du conducteur primaire à haute tension. Les circuits électroniques fournissent de l'énergie, mais des courants primaires très faibles (par exemple, ≤5% du courant nominal) empêchent les convertisseurs de courant de maintenir une excitation normale ou de transmettre de l'énergie, créant une zone morte de puissance. La conception de l'alimentation optique pour les circuits de modulation haute tension des lasers semi-conducteurs du côté basse tension fait face à une consommation élevée d'énergie (≈60 mW).

L'équilibre entre l'utilisation de l'énergie et les performances est crucial : avec un rendement de conversion photoélectrique de 30%, les lasers semi-conducteurs nécessitent au moins une sortie de 180 mW - raccourcissant leur durée de vie et augmentant les coûts. Des porteurs d'énergie hybrides résolvent ce problème : KT fournit de l'énergie pour les courants primaires élevés; les alimentations à base de lasers prolongent la durée de vie pour les courants faibles. La dépendance aux lasers risque d'entraîner un dysfonctionnement du transformateur s'ils s'arrêtent, donc deux modulateurs optiques et des stratégies de contrôle intelligent (pour prédire le changement de mode et gérer les courts-circuits) sont nécessaires, ajoutant des coûts mais assurant une alimentation fiable.

4 Conception de fiabilité

Les amortisseurs électroniques surpassent les traditionnels mais dépendent de technologies complexes (par exemple, transfert de technologie, expertise en haute tension), finissant par les remplacer. La redondance augmente la fiabilité : les canaux de protection utilisent des bobines à noyau d'air et des convertisseurs en double redondance. Des outils clés (par exemple, convertisseurs de modules de puissance) nécessitent une automatisation simple. Des mesures protectrices abordent les impacts des courts-circuits sur les cycles d'échantillonnage et les lasers de haute performance dans les canaux de protection ATM. Les lasers de haute performance posent des risques pour les opérateurs mais s'éteignent avec les modules de puissance pour éviter les dangers.