Tecnoloxías Clave e Desafíos dos Transformadores Electrónicos de Alta Tensión

Os transformadores eléctricos tradicionais enfrentan problemas inerentes debido aos seus sensores. Son cruciais para a monitorización, control e protección das centrais eléctricas (por exemplo, rexistro de fallos, control de seguridade). No entanto, a transmisión de gran cantidade de enerxía eléctrica a través de portadores de información e a falta de saída de sinal dixital dos sistemas dixitais complican a comunicación secundaria. A complexa cableado secundario compensa a alta fiabilidade dos microordenadores, simplificando a protección e os dispositivos secundarios. Esta innovación integrará o equipo secundario nos sistemas, acelerando a dixitalización/computerización da subestación e transformando a automatización/protección do sistema eléctrico.

Os transformadores electrónicos manexan o aislamento da transmisión óptica, pero as liñas de alta tensión para o rexistro/transmisión de sinais requiren unha alimentación DC estable e fiable, un desafío técnico clave enraizado na física. Un campo electromagnético variable ao redor do conductor de alta tensión, obxectivo mediante indución electromagnética, é ideal (a enerxía é "auto-estimulante", extraída e utilizada no obxecto medido, baseada na estimulación electromagnética AC). Aínda así, as barreiras técnicas forzan a confiar en métodos caros (por exemplo, lásers, microondas). Este artigo explora a autorregulación da alimentación a través de tecnoloxías electrónicas de vanguardia, cubrindo a comunicación óptica e os materiais magnéticos.

1 Bobina de núcleo de aire

Nesta etapa, o ETA de alta tensión utiliza bobinas de núcleo de aire como elementos de detección. Láseres semiconductores de baixa tensión, alimentados por fibras ópticas en liñas moduladas de alta tensión, convierten os sinais de voltaxe. As informacións eléctricas medidas (introducidas como sinais dixitais) activan LEDs, con as fibras ópticas transmitindo os sinais ao lado de baixa tensión como pulsos ópticos.

A diferencia do enrolamento do transformador tradicional, as bobinas de núcleo de aire siguen regras estritas: os enrolamentos secundarios están distribuídos uniformemente en esqueletos magnéticos non metálicos (sección transversal uniforme); as bobinas teñen a mesma forma; o plano horizontal de cada enrolamento debe alinarse perpendicularmente coa tanxente da carcasa da bobina (de lo contrario, aumentan os erros de medida). O enrolamento semimanual frecuentemente non cumpre estes criterios na práctica, aumentando o consumo de enerxía durante a produción en masa. Xeralmente, a precisión estructural das bobinas de núcleo de aire alcanza o 0,1% (media 2%).

Embora a operación relacionada coa temperatura sexa simple, as normas IEC imponen requisitos cuantitativos claros para a saída secundaria baixo corrente nominal, todos os desvíos iniciais contan cara aos erros de medida. É crucial resolver a atomización do transformador de núcleo de aire na produción. Os transformadores con etiquetas de resistencia necesitan aprobación especial (do Departamento de Servizos Eléctricos e Mecánicos) para a saída secundaria, obstaculizando a industrialización. Polo tanto, son necesarias novas estruturas de sensores ópticos de bobina de núcleo de aire. A través da tecnoloxía PCB, os investigadores desenvolveron diseños innovadores, mellorando a precisión e a estabilidade da medida.

2 Características transitorias

Nas redes de alta tensión, a gran capacidade do sistema leva a un ciclo primario constante e relativamente longo. A protección por relevos actúa durante as transicións, con correntes de curto circuito de longa duración. Para asegurar a operación dos dispositivos de protección, os transformadores deben permanecer ligeramente distorcidos; o segundo sinal de saída substitúe a primeira corrente de interrupción, e os defectos transitorios dentro do tempo estabelecido non deben exceder os límites. O rendemento transitorio dos transformadores electrónicos de potencia basados en bobinas de núcleo de aire é unha forza clave.

Un integrador, con una constante de tempo limitada, recupera os sinais eléctricos medidos. Se os circuitos teñen compoñentes iódico-periódicos, as características de erro dependen máis das frecuencias bajas. As frecuencias máis baixas melloran o seguimento e reducen os erros (por exemplo, un elemento de apertura do sistema que se debilita en 0,5s require que a frecuencia baixa do conversor de potencia se mantenga por debaixo de 2Hz para un mellor seguimento do ciclo de amortiguación). A decaída transitoria máis lenta e a atenuación do sinal de saída ocorren cando os transformadores de corrente de núcleo de aire e os integradores se apagan a corrente primaria cero. A incompatibilidade con sistemas de apagado en posición cero causa erros de medida. Polo tanto, o deseño e a optimización do integrador son cruciais para o rendemento do transformador de núcleo de aire.

3 Alimentación de alta tensión

Os transformadores de potencia de núcleo de aire usan "fuentes de alimentación de toma de enerxía" para extraer enerxía do conductor primario a alta tensión. Os circuitos electrónicos proporcionan a alimentación, pero as correntes primarias moi baixas (por exemplo, ≤5% da corrente nominal) impiden que os conversores de corrente mantengan a excitación normal ou transmitan enerxía, creando unha zona morta de potencia. O deseño de potencia de fibra óptica para os circuitos de modulación de alta tensión de láseres semiconductores de baixa tensión enfrontase a un alto consumo de potencia (≈60mW).

Equilibrar o uso de enerxía e o rendemento é clave: con unha eficiencia de conversión fotoeléctrica do 30%, os láseres semiconductores necesitan polo menos 180mW de saída, acortando a súa vida útil e aumentando os custos. Os portadores de enerxía híbridos resolven isto: KT fornece alimentación para correntes primarias altas; as fuentes baseadas en lásers prolongan a vida útil para correntes baixas. A dependencia dos lásers arriesga a falla do transformador se cesan, polo que son necesarios dous moduladores ópticos e estratexias de control inteligente (para predecir o cambio de modo e xestionar os cortocircuitos), aumentando o custo pero asegurando a alimentación fiable.

4 Deseño de fiabilidade

Os amortiguadores electrónicos superan aos tradicionais pero dependen de tecnoloxías complexas (por exemplo, transferencia de tecnoloxía, experiencia en alta tensión), substituíndo-os finalmente. A redundancia aumenta a fiabilidade: os canles de protección usan bobinas de núcleo de aire e conversores dúplex. As ferramentas clave (por exemplo, módulos conversores de potencia) necesitan automatización simple. As medidas protectoras abordan os impactos dos cortocircuitos nos ciclos de muestreo e os lásers de alto rendemento nos canles de protección ATM. Os lásers de alto rendemento supón un risco para os operadores, pero apáganse coas unidades de potencia para evitar perigos.