Kluczowe technologie i wyzwania wysokonapięciowych transformatorów elektronicznych

Tradycyjne transformatory elektryczne stają przed wrodzonymi problemami związanymi z ich czujnikami. Są one kluczowe dla monitorowania kontrolowania i ochrony elektrowni (np. rejestracja uszkodzeń sterowanie bezpieczeństwem). Jednak duże przesyłanie energii elektrycznej poprzez nośniki informacji oraz brak cyfrowego sygnału wyjściowego z systemów cyfrowych utrudnia komunikację wtórną. Skomplikowane przewodzenie wtórne kompensuje wysoką niezawodność mikrokomputerów upraszczając ochronę i urządzenia wtórne. Ta innowacja pozwoli na integrację sprzętu wtórnego do systemów przyspieszając cyfryzację/komputerizację stacji transformatorowych i przekształcając automatyzację/ochronę systemu energetycznego.

Transformatory elektroniczne obsługują izolację transmisji optycznej ale wysokie napięcia linii dla rejestrowania/transmisji sygnałów wymagają stabilnego i niezawodnego zasilania DC co jest kluczowym technicznym wyzwaniem wynikającym z fizyki. Zmienny pole magnetyczne wokół mierzonego przewodnika wysokiego napięcia który można uzyskać przez indukcję elektromagnetyczną jest idealny (energia jest „samostymulująca” wydobywana z i używana dla mierzonego obiektu oparta na stimulacji elektromagnetycznej prądu przemiennego). Niemniej jednak techniczne przeszkody zmuszają do korzystania z kosztownych metod (np. laserów mikrofal). Ten artykuł bada samoregulację zasilania za pomocą nowoczesnych technologii elektronicznych obejmując komunikację optyczną i materiały magnetyczne.

1 Cewka o rdzeniu powietrznym

Na tym etapie ETA wysokiego napięcia używa cewek o rdzeniu powietrznym jako elementów czujników. Niskonapięciowe lasery półprzewodnikowe zasilane przez światłowody na modulowanych liniach wysokiego napięcia przekształcają sygnały napięcia. Mierzona informacja elektryczna (wprowadzana jako sygnały cyfrowe) napędza diody LED a światłowody przesyłają sygnały do strony niskiego napięcia jako impulsy optyczne.

W przeciwieństwie do tradycyjnych cewek transformatora cewki o rdzeniu powietrznym podlegają ścisłym regułom: Wiaty wtórne są równomiernie rozmieszczone na niemetalowych szkieletach magnetycznych (jednorodny przekrój poprzeczny); cewki mają ten sam kształt; każda wiata w płaszczyźnie poziomej musi być ustawiona prostopadle do stycznej do powłoki cewki (w przeciwnym razie błędy pomiarowe wzrastają). Półmanualne nawijanie często nie spełnia tych kryteriów w praktyce zwiększając zużycie energii przy produkcji masowej. Typowa dokładność konstrukcyjna cewki o rdzeniu powietrznym wynosi 0.1% (średnio 2%).

Chociaż operacje związane z temperaturą są proste normy IEC wymagają jasnych ilościowych wymagań dla wyjścia wtórnego przy nominalnym prądzie wszystkie początkowe odchylenia są uwzględniane w błędach pomiarowych. Rozwiązanie atomizacji transformatora o rdzeniu powietrznym w produkcji jest kluczowe. Transformatory z etykietami opornościowymi wymagają specjalnej aprobaty (od Departamentu Usług Elektrycznych i Mechanicznych) dla wyjścia wtórnego co utrudnia industrializację. Dlatego potrzebne są nowe struktury optycznych czujników cewek o rdzeniu powietrznym. Przez technologię PCB badacze opracowali innowacyjne projekty zwiększające dokładność i stabilność pomiarów.

2 Charakterystyka przejściowa

W sieciach wysokiego napięcia duża pojemność systemu prowadzi do stałego i stosunkowo długiego podstawowego cyklu. Ochrona relacyjna aktywuje się podczas przejść z długotrwałymi prądami krótkiego spięcia. Aby zapewnić działanie urządzeń ochronnych transformatory muszą pozostać lekko zniekształcone drugi sygnał wyjściowy zastępuje pierwszy prąd przerwany a przejściowe defekty w ustalonym czasie nie mogą przekroczyć granic. Charakterystyka przejściowa transformatorów elektronicznych opartych na cewkach o rdzeniu powietrznym jest kluczową zaletą.

Integrator o ograniczonej stałej czasowej odzyskuje mierzone sygnały elektryczne. Jeśli obwody mają składniki jodoperyodyczne charakterystyka błędów zależy bardziej od niskich częstotliwości. Niższe częstotliwości poprawiają śledzenie i zmniejszają błędy (np. osłabienie elementu otwarcia systemu w 0.5s wymaga aby niska częstotliwość przetwornicy mocy pozostawała poniżej 2Hz dla lepszego śledzenia cyklu tłumienia). Powolniejsze zanikanie przejściowe i tłumienie sygnału wyjściowego występują gdy prądotwory o rdzeniu powietrznym i integratory wyłącza się przy zerowym prądzie podstawowym. Niezgodność z systemami wyłączania w pozycji zerowej powoduje błędy pomiarowe. Dlatego projektowanie i optymalizacja integratora są kluczowe dla wydajności transformatorów o rdzeniu powietrznym.

3 Zasilanie strony wysokiego napięcia

Transformatory mocy o rdzeniu powietrznym używają „zasilania pobieranego z energii” aby pobierać energię z podstawowego przewodnika przy wysokim napięciu. Układy elektroniczne dostarczają energii ale bardzo niskie prądy podstawowe (np. ≤5% nominalnego prądu) uniemożliwiają prądotworom utrzymanie normalnego pobudzenia lub przesyłania energii tworząc martwą strefę zasilania. Projektowanie zasilania światłowodowego dla modulowanych obwodów wysokiego napięcia lasery półprzewodnikowe na stronie niskiego napięcia napotyka na wysokie zużycie energii (≈60mW).

Balansowanie zużycia energii i wydajności jest kluczowe: przy 30% wydajności fotoelektrycznej lasery półprzewodnikowe wymagają co najmniej 180mW wyjścia skracając ich żywotność i zwiększając koszty. Hybrydowe nośniki energii rozwiążą to: KT dostarcza energii dla wysokich prądów podstawowych zasilanie oparte na laserach przedłuża żywotność dla niskich prądów. Zależność od laserów naraża transformator na awarię w przypadku ich zatrzymania dlatego potrzebne są dwa modulatory optyczne i inteligentne strategie kontroli (aby przewidzieć przełączenie trybu i obsługiwać krótkie zwarcia) co zwiększa koszty ale gwarantuje niezawodne zasilanie.

4 Projekt niezawodności

Amortyzatory elektroniczne przewyższają tradycyjne ale opierają się na skomplikowanych technologiach (np. transfer technologii specjalistyczne umiejętności wysokonapięciowe) ostatecznie je zastępując. Redundancja zwiększa niezawodność: kanały ochronne używają podwójnie redundantnych cewek o rdzeniu powietrznym i przetworników. Kluczowe narzędzia (np. moduły przetwornicze zasilania) wymagają prostej automatyki. Środki ochronne radzą sobie z wpływem krótkich zwarcia na cykle próbkowania i wysokowydajne lasery w kanałach ochrony ATM. Wysokowydajne lasery stanowią ryzyko dla operatorów ale wyłączają się z modułami zasilania aby zapobiec zagrożeniom.