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高電圧電子変圧器の主要技術と課題

Dyson
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フィールド: 電気規格
China

従来の電力変圧器は、センサーに関連する本質的な問題に直面しています。これらのセンサーは発電所の監視、制御、保護(例えば、障害記録、安全制御)に不可欠ですが、情報キャリアを介した大容量の電力伝送とデジタルシステムからのデジタル信号出力の不足により、二次通信が複雑化します。複雑な二次配線は、マイクロコンピュータの高い信頼性を補完し、保護装置や二次装置の簡素化を可能にします。この革新は、二次装置をシステムに統合し、変電所のデジタル化/コンピュータ化を加速し、電力システムの自動化/保護を変革します。

電子変圧器は光伝送による絶縁を処理しますが、信号記録/伝送用の高電圧線には安定かつ信頼性の高い直流電源が必要です—これは物理学的に根ざした主要な技術的課題です。測定対象の高電圧導体周囲の可変電磁界は、電磁誘導によって得られ、理想的です(エネルギーは「自己励起」型で、測定対象から抽出され、交流電磁刺激に基づいて使用されます)。しかし、技術的な障壁により、高価な方法(例えば、レーザー、マイクロ波)への依存が強まっています。この論文では、最先端の電子技術による電源の自己調整について、光通信と磁性材料を含めて探討します。

1 エアコアコイル

この段階では、高電圧ETAはエアコアコイルをセンシング要素として使用します。低電圧半導体レーザーは、高電圧変調線路上の光ファイバーによって駆動され、電圧信号を変換します。測定された電気情報(デジタル信号として入力)はLEDを駆動し、光ファイバーを通じて低電圧側に光パルスとして信号を伝送します。

従来の変圧器巻線とは異なり、エアコアコイルは厳格な規則に従います:二次巻線は非金属磁性骨組み(均一断面)上に均等に配置され、コイルは同じ形状を持ち、各巻線の水平面はコイルシェルの接線に対して垂直に配置されなければなりません(そうでない場合、測定誤差が増加します)。半自動巻線は実際にはこれらの基準を満たすことが難しく、大量生産時の消費電力を引き上げます。通常、エアコアコイルの構造精度は0.1%(平均2%)に達します。

温度関連の動作は単純ですが、IEC標準では定格電流下での二次出力について明確な定量的要求を定めています—すべての初期偏差は測定誤差として数えられます。生産におけるエアコア変圧器の微細化の解決が重要です。抵抗ラベル付きの変圧器は、二次出力のために特別な承認(電気機械サービス部門からの)が必要であり、工業化を妨げます。そのため、新しいエアコアコイル光学センサ構造が必要です。PCB技術を用いて研究者は革新的な設計を開発し、測定精度と安定性を向上させました。

2 過渡特性

高電圧グリッドでは、大容量のシステムにより一次サイクルが常に比較的長くなります。リレー保護は遷移中に活性化し、長期の短絡電流が発生します。保護装置の動作を確保するためには、変圧器は若干歪曲状態を維持する必要があります;二次出力信号は最初の遮断電流を置き換え、設定時間内の過渡欠陥は限界を超えてはなりません。エアコアコイルを基にした電子式電力変圧器の過渡性能は重要な特長です。

一定の時間定数を持つインテグレーターは、測定された電気信号を回復します。回路にヨウ素周期成分がある場合、誤差特性はより低い周波数に依存します。低周波数を下げることで追跡性が改善され、誤差が減少します(例えば、システムの開口部要素が0.5秒で弱まる場合、電力コンバータの低周波数は2Hz以下に保つことでより良い減衰サイクル追跡が可能です)。エアコア電流変圧器とインテグレーターが一次電流ゼロでシャットオフすると、過渡減衰が遅くなり、出力信号が減衰します。ゼロ位置シャットダウンシステムとの非互換性は測定誤差を引き起こします。したがって、エアコア変圧器の性能にとってインテグレーターの設計と最適化は重要です。

3 高電圧側電源

エアコア電力変圧器は「エネルギーキャリア電源」を使用して高電圧下で一次導体からエネルギーを採取します。電子回路は電力を供給しますが、非常に低い一次電流(例えば、定格電流の5%以下)では、電流変換器が正常な励磁を維持したりエネルギーを伝送したりできず、電力死区間が生じます。低電圧側半導体レーザーの高電圧変調回路用の光ファイバーパワーデザインは、高い消費電力(約60mW)に直面しています。

エネルギー使用と性能のバランスが重要です:30%の光電変換効率を持つ半導体レーザーは少なくとも180mWの出力が必要で、これは寿命を短縮しコストを上げます。ハイブリッドエネルギーキャリアがこれを解決します:KTは高一次電流で電力を供給し、レーザーベースの供給は低電流で寿命を延ばします。レーザーへの依存は、レーザーが停止した場合に変圧器の故障リスクを高めるため、二つの光学変調器とスマート制御戦略(モード切り替えの予測と短絡の処理)が必要となりますが、これによりコストがかかるものの信頼性のある電力を確保できます。

4 信頼性設計

電子ダンパは従来のものよりも優れていますが、複雑な技術(例えば、技術転送、高電圧専門知識)に依存しており、最終的にはそれらを置き換えます。冗長性は信頼性を高めます:保護チャネルは二重冗長のエアコアコイルと変換器を使用します。重要なツール(例えば、電力モジュール変換器)は簡単な自動化が必要です。サンプリング周期への短絡の影響とATM保護チャネルの高性能レーザーへの保護措置があります。高性能レーザーは操作者に危険をもたらす可能性がありますが、電力モジュールとともにシャットオフすることで危害を防ぎます。

著者へのチップと励まし
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