Tecnologie Chiave e Sfide dei Trasformatori Elettronici ad Alta Tensione

I trasformatori elettrici tradizionali affrontano problemi intrinseci legati ai loro sensori. Sono fondamentali per il monitoraggio, il controllo e la protezione delle centrali elettriche (ad esempio, registrazione dei guasti, controllo di sicurezza). Tuttavia, la trasmissione di grandi quantità di energia elettrica attraverso i portatori di informazione e la mancanza di uscita di segnale digitale dai sistemi digitali complicano la comunicazione secondaria. Complessi cavi secondari compensano l'alta affidabilità dei microcomputer, semplificando la protezione e i dispositivi secondari. Questa innovazione integrerà l'equipaggiamento secondario nei sistemi, accelerando la digitalizzazione/computerizzazione delle stazioni e trasformando l'automazione/protezione dei sistemi elettrici.

I trasformatori elettronici gestiscono l'isolamento della trasmissione ottica, ma le linee ad alta tensione per la registrazione e la trasmissione del segnale richiedono una fonte di alimentazione DC stabile e affidabile, un problema tecnico chiave radicato nella fisica. Un campo elettromagnetico variabile intorno al conduttore ad alta tensione misurato, ottenibile tramite induzione elettromagnetica, sarebbe ideale (l'energia è "auto-stimolante", estratta e utilizzata per l'oggetto misurato, basato sulla stimolazione elettromagnetica alternata). Tuttavia, gli ostacoli tecnici costringono a far affidamento su metodi costosi (ad esempio, laser, microonde). Questo articolo esplora l'autoregolazione dell'alimentazione attraverso tecnologie elettroniche all'avanguardia, coprendo la comunicazione ottica e i materiali magnetici.

1 Bobina a nucleo d'aria

In questa fase, l'ETA ad alta tensione utilizza bobine a nucleo d'aria come elementi di rilevamento. Laser semiconduttori a bassa tensione, alimentati da fibre ottiche su linee modulate ad alta tensione, convertono i segnali di tensione. Le informazioni elettriche misurate (in ingresso come segnali digitali) pilotano i LED, con le fibre ottiche che trasmettono i segnali al lato a bassa tensione sotto forma di impulsi ottici.

A differenza dell'avvolgimento tradizionale dei trasformatori, le bobine a nucleo d'aria seguono regole rigorose: gli avvolgimenti secondari sono distribuiti uniformemente su scheletri magnetici non metallici (sezione trasversale uniforme); le bobine hanno la stessa forma; ogni avvolgimento deve essere allineato perpendicolarmente alla tangente della superficie della bobina (altrimenti, aumentano gli errori di misurazione). L'avvolgimento semi-manuale spesso non rispetta questi criteri in pratica, aumentando il consumo energetico durante la produzione di massa. Tipicamente, l'accuratezza strutturale delle bobine a nucleo d'aria raggiunge il 0,1% (media del 2%).

Sebbene l'operazione legata alla temperatura sia semplice, gli standard IEC richiedono requisiti quantitativi chiari per l'uscita secondaria sotto corrente nominale - tutti i deviazioni iniziali contano verso gli errori di misurazione. Risolvere l'atomizzazione del trasformatore a nucleo d'aria in produzione è cruciale. I trasformatori con etichette di resistenza necessitano di approvazioni speciali (dal Dipartimento dei Servizi Elettrici e Meccanici) per l'uscita secondaria, ostacolando l'industrializzazione. Pertanto, sono necessarie nuove strutture di sensori ottici a bobina a nucleo d'aria. Attraverso la tecnologia PCB, i ricercatori hanno sviluppato progetti innovativi, migliorando l'accuratezza e la stabilità delle misurazioni.

2 Caratteristiche transitorie

Nelle reti ad alta tensione, la grande capacità del sistema porta a un ciclo primario costante e relativamente lungo. La protezione a relè si attiva durante le transizioni, con correnti di cortocircuito di lunga durata. Per garantire il funzionamento dei dispositivi di protezione, i trasformatori devono rimanere leggermente distorti; il secondo segnale di uscita sostituisce la prima corrente di interruzione, e i difetti transitori entro un tempo prefissato non devono superare i limiti. Le prestazioni transitorie dei trasformatori elettronici a base di bobine a nucleo d'aria sono un punto di forza chiave.

Un integratore, con una costante di tempo limitata, recupera i segnali elettrici misurati. Se i circuiti hanno componenti iodine-periodiche, le caratteristiche degli errori dipendono maggiormente dalle frequenze inferiori. Frequenze più basse migliorano il tracciamento e riducono gli errori (ad esempio, un elemento di apertura del sistema che si indebolisce in 0,5 secondi richiede che la frequenza bassa del convertitore di potenza rimanga inferiore a 2 Hz per un migliore tracciamento del ciclo di smorzamento). Un decadimento transitorio più lento e un attenuamento del segnale di uscita si verificano quando i trasformatori di corrente a nucleo d'aria e gli integratori si spegnono a corrente primaria zero. L'incompatibilità con i sistemi di spegnimento in posizione zero causa errori di misurazione. Pertanto, la progettazione e l'ottimizzazione dell'integratore sono critiche per le prestazioni del trasformatore a nucleo d'aria.

3 Alimentazione lato ad alta tensione

I trasformatori di potenza a nucleo d'aria utilizzano "sorgenti di alimentazione a prelievo di energia" per attingere energia dal conduttore primario ad alta tensione. I circuiti elettronici forniscono energia, ma correnti primarie molto basse (ad esempio, ≤5% della corrente nominale) impediscono ai convertitori di corrente di mantenere l'eccitazione normale o di trasmettere energia, creando una zona morta di potenza. Progettare la potenza ottica per i circuiti di modulazione ad alta tensione dei laser semiconduttori a bassa tensione si scontra con un elevato consumo di energia (circa 60 mW).

Equilibrare l'uso dell'energia e le prestazioni è fondamentale: con un'efficienza di conversione fotoelettrica del 30%, i laser semiconduttori richiedono almeno 180 mW di uscita, accorciando la loro vita utile e aumentando i costi. I vettori di energia ibridi risolvono questo problema: KT fornisce energia per correnti primarie elevate; le sorgenti basate su laser estendono la vita utile per correnti basse. La dipendenza dai laser rischia di causare il fallimento del trasformatore se si interrompono, quindi sono necessari due modulatori ottici e strategie di controllo intelligente (per prevedere il cambio di modalità e gestire i cortocircuiti), aggiungendo costi ma assicurando una potenza affidabile.

4 Progettazione affidabile

Gli smorzatori elettronici superano quelli tradizionali ma fanno affidamento su tecnologie complesse (ad esempio, trasferimento di tecnologia, competenze in alta tensione), sostituendoli gradualmente. La ridondanza aumenta l'affidabilità: i canali di protezione utilizzano bobine a nucleo d'aria e convertitori duali ridondanti. Strumenti chiave (ad esempio, convertitori di moduli di potenza) necessitano di automazione semplice. Misure protettive affrontano gli impatti dei cicli di campionamento e dei laser ad alte prestazioni nei canali di protezione ATM. I laser ad alte prestazioni presentano rischi per gli operatori ma si spegnono con i moduli di potenza per prevenire pericoli.