Tecnologias Chave e Desafios dos Transformadores Eletrônicos de Alta Tensão

Transformadores de energia tradicionais enfrentam problemas inerentes devido aos seus sensores. Eles são críticos para o monitoramento, controle e proteção das usinas de energia (por exemplo, gravação de falhas, controle de segurança). No entanto, a transmissão de grande quantidade de energia elétrica por meio de portadores de informação e a falta de saída de sinal digital dos sistemas digitais complicam a comunicação secundária. Fiação secundária complexa compensa a alta confiabilidade dos microcomputadores, simplificando a proteção e os dispositivos secundários. Esta inovação integrará equipamentos secundários em sistemas, acelerando a digitalização/computadorização de subestações e transformando a automação/proteção do sistema de energia.

Transformadores eletrônicos lidam com o isolamento da transmissão óptica, mas as linhas de alta tensão para gravação/transmissão de sinais necessitam de alimentação DC estável e confiável - um desafio técnico chave fundamentado na física. Um campo eletromagnético variável ao redor do condutor de alta tensão, obtido por indução eletromagnética, é ideal (a energia é "auto-estimulante", extraída e utilizada no objeto medido, baseada na estimulação eletromagnética AC). No entanto, obstáculos técnicos forçam a dependência de métodos caros (por exemplo, lasers, microondas). Este artigo explora a auto-regulação da alimentação via tecnologia eletrônica de ponta, abrangendo comunicação óptica e materiais magnéticos.

1 Bobina de Núcleo de Ar

Nesta etapa, o ETA de alta tensão usa bobinas de núcleo de ar como elementos de detecção. Lasers semicondutores de baixa tensão, alimentados por fibras ópticas em linhas moduladas de alta tensão, convertem sinais de tensão. Informações elétricas medidas (inseridas como sinais digitais) impulsionam LEDs, com fibras ópticas transmitindo sinais para o lado de baixa tensão como pulsos ópticos.

Diferentemente do enrolamento do transformador tradicional, as bobinas de núcleo de ar seguem regras estritas: os enrolamentos secundários são distribuídos uniformemente em esqueletos magnéticos não metálicos (seção transversal uniforme); as bobinas têm a mesma forma; o plano horizontal de cada enrolamento deve alinhar-se perpendicularmente à tangente da casca da bobina (caso contrário, os erros de medição aumentam). O enrolamento semi-manual frequentemente não atende a esses critérios na prática, aumentando o consumo de energia durante a produção em massa. Geralmente, a precisão estrutural das bobinas de núcleo de ar atinge 0,1% (em média 2%).

Embora a operação relacionada à temperatura seja simples, os padrões IEC exigem requisitos quantitativos claros para a saída secundária sob corrente nominal - todos os desvios iniciais contam para os erros de medição. Resolver a atomização do transformador de núcleo de ar na produção é crucial. Transformadores com etiquetas de resistência precisam de aprovação especial (do Departamento de Serviços Elétricos e Mecânicos) para a saída secundária, impedindo a industrialização. Assim, são necessárias novas estruturas de sensores ópticos de bobina de núcleo de ar. Por meio da tecnologia PCB, pesquisadores desenvolveram designs inovadores, aumentando a precisão e a estabilidade da medição.

2 Características Transitórias

Em redes de alta tensão, a grande capacidade do sistema leva a um ciclo primário constante e relativamente longo. A proteção por relé é ativada durante as transições, com correntes de curto-circuito de longa duração. Para garantir o funcionamento dos dispositivos de proteção, os transformadores devem permanecer ligeiramente distorcidos; o sinal de saída secundário substitui a primeira corrente de interrupção, e defeitos transitórios dentro do tempo estabelecido não devem exceder limites. O desempenho transitório dos transformadores eletrônicos baseados em bobinas de núcleo de ar é uma força-chave.

Um integrador, com constante de tempo limitada, recupera os sinais elétricos medidos. Se os circuitos tiverem componentes iônicos periódicos, as características de erro dependem mais das frequências de baixo extremo. Frequências mais baixas melhoram o rastreamento e reduzem erros (por exemplo, um elemento de abertura do sistema enfraquecendo em 0,5s requer que a frequência de baixo extremo do conversor de energia fique abaixo de 2Hz para um melhor rastreamento do ciclo de amortecimento). Ocorre uma degradação transitória mais lenta e atenuação do sinal de saída quando os transformadores de corrente de núcleo de ar e os integradores se desligam na corrente primária zero. Incompatibilidade com sistemas de desligamento em posição zero causa erros de medição. Portanto, o design e a otimização do integrador são cruciais para o desempenho do transformador de núcleo de ar.

3 Alimentação do Lado de Alta Tensão

Transformadores de potência de núcleo de ar usam "fontes de alimentação de captação de energia" para extrair energia do condutor primário em alta tensão. Circuitos eletrônicos fornecem energia, mas correntes primárias muito baixas (por exemplo, ≤5% da corrente nominal) impedem os conversores de corrente de manter a excitação normal ou transmitir energia, criando uma zona morta de energia. O projeto de alimentação por fibra óptica para circuitos de modulação de alta tensão de lasers semicondutores de baixa tensão enfrenta alto consumo de energia (≈60mW).

Equilibrar o uso de energia e o desempenho é fundamental: com 30% de eficiência de conversão fotoelétrica, os lasers semicondutores precisam de pelo menos 180mW de saída - encurtando sua vida útil e aumentando custos. Portadores de energia híbridos resolvem isso: KT fornece energia para correntes primárias altas; fontes de alimentação a laser estendem a vida útil para correntes baixas. A dependência de lasers arrisca a falha do transformador se eles pararem, então são necessários dois moduladores ópticos e estratégias de controle inteligente (para prever a troca de modo e lidar com curtos-circuitos), adicionando custo, mas garantindo alimentação confiável.

4 Design de Confiabilidade

Amortecedores eletrônicos superam os tradicionais, mas dependem de tecnologias complexas (por exemplo, transferência de tecnologia, expertise em alta tensão), eventualmente substituindo-os. A redundância aumenta a confiabilidade: canais de proteção usam bobinas de núcleo de ar e conversores duplamente redundantes. Ferramentas-chave (por exemplo, conversores de módulos de energia) precisam de automação simples. Medidas de proteção abordam impactos de curto-circuito nos ciclos de amostragem e lasers de alto desempenho em canais de proteção ATM. Os lasers de alto desempenho representam riscos para os operadores, mas são desligados com os módulos de energia para evitar perigos.