Ключевые технологии и проблемы высоковольтных электронных трансформаторов

Традиционные силовые трансформаторы сталкиваются с врожденными проблемами из-за своих датчиков. Они критически важны для мониторинга, управления и защиты электростанций (например, запись аварий, управление безопасностью). Однако передача большого количества электроэнергии через информационные носители и отсутствие цифрового сигнального выхода от цифровых систем усложняют вторичную связь. Сложная вторичная проводка компенсирует высокую надежность микрокомпьютеров, упрощая защиту и работу вторичных устройств. Это новшество интегрирует вторичное оборудование в системы, ускоряя оцифровку/компьютеризацию подстанций и преобразуя автоматизацию/защиту энергосистем.

Электронные трансформаторы обеспечивают оптическую изоляцию передачи, однако для записи/передачи сигналов по высоковольтным линиям требуется стабильное и надежное постоянное напряжение — ключевая техническая проблема, коренящаяся в физике. Переменное электромагнитное поле вокруг измеряемого высоковольтного проводника, которое можно получить с помощью электромагнитной индукции, является идеальным (энергия "самостимулируется", извлекается из и используется для измеряемого объекта, на основе переменного электромагнитного возбуждения). Тем не менее, технические препятствия вынуждают полагаться на дорогостоящие методы (например, лазеры, микроволны). В данной статье исследуется саморегуляция питания с использованием передовых электронных технологий, включая оптическую связь и магнитные материалы.

1 Воздушный сердечник

На этом этапе высоковольтные ETA используют воздушные катушки в качестве чувствительных элементов. Полупроводниковые лазеры с низким напряжением, питаемые оптоволокном на высоковольтных модулированных линиях, преобразуют сигналы напряжения. Измеренные электрические данные (входящие как цифровые сигналы) приводят в действие светодиоды, с оптоволокном передающим сигналы на сторону низкого напряжения в виде оптических импульсов.

В отличие от традиционной обмотки трансформатора, воздушные катушки следуют строгим правилам: вторичные обмотки равномерно распределены на неметаллических магнитных каркасах (равномерное поперечное сечение); катушки имеют одинаковую форму; каждая обмотка должна быть перпендикулярна касательной к корпусу катушки (в противном случае увеличиваются погрешности измерений). Полуавтоматическая намотка часто не соответствует этим критериям на практике, что увеличивает потребление энергии при массовом производстве. Обычно точность конструкции воздушных катушек достигает 0,1% (в среднем 2%).

Хотя работа, связанная с температурой, проста, стандарты МЭК требуют четких количественных требований к вторичному выходу при номинальном токе — все начальные отклонения учитываются как погрешности измерений. Решение проблемы атомизации воздушных трансформаторов в производстве является критическим. Трансформаторы с резистивными метками требуют специального одобрения (от Департамента электротехнических и механических услуг) для вторичного выхода, что затрудняет индустриализацию. Таким образом, необходимы новые структуры оптических датчиков воздушных катушек. С помощью технологии печатных плат исследователи разработали инновационные дизайны, повышающие точность и стабильность измерений.

2 Переходные характеристики

В высоковольтных сетях большая емкость системы приводит к постоянному, относительно длительному основному циклу. Релейная защита активируется во время переходов, с длительными короткими замыканиями. Чтобы обеспечить работу защитных устройств, трансформаторы должны оставаться слегка искаженными; второй выходной сигнал заменяет первый прерывный ток, и переходные дефекты в заданное время не должны превышать пределы. Переходные характеристики электронных силовых трансформаторов на основе воздушных катушек являются ключевым преимуществом.

Интегратор с ограниченной постоянной времени восстанавливает измеренные электрические сигналы. Если цепи имеют йод-периодические компоненты, характеристики ошибок зависят больше от низкочастотных диапазонов. Низкочастотные диапазоны улучшают отслеживание и снижают ошибки (например, ослабление элемента открытия системы за 0,5 секунды требует, чтобы низкочастотный диапазон преобразователя мощности оставался ниже 2 Гц для лучшего отслеживания демпфирующего цикла). Более медленное затухание переходных процессов и ослабление выходного сигнала происходят, когда воздушные токовые трансформаторы и интеграторы отключаются при нулевом первичном токе. Несовместимость с системами отключения в нулевой позиции вызывает ошибки измерений. Таким образом, проектирование и оптимизация интегратора критически важны для работы воздушных трансформаторов.

3 Питание на высоковольтной стороне

Воздушные силовые трансформаторы используют "энерго-забирающие источники питания" для извлечения энергии из первичного проводника при высоком напряжении. Электронные цепи обеспечивают питание, но очень низкие первичные токи (например, ≤5% номинального тока) не позволяют токовым преобразователям поддерживать нормальное возбуждение или передавать энергию, создавая зону без питания. Проектирование оптоволоконного питания для высоковольтных модулированных цепей полупроводниковых лазеров с низким напряжением сталкивается с высоким потреблением энергии (≈60 мВт).

Балансировка использования энергии и производительности является ключевой: при 30%-ной эффективности фотопреобразования полупроводниковым лазерам требуется как минимум 180 мВт выходной мощности — это сокращает их срок службы и увеличивает затраты. Гибридные энергоносители решают эту проблему: KT обеспечивает питание при высоких первичных токах; лазерные источники питания продлевают срок службы при низких токах. Зависимость от лазеров рискует привести к отказу трансформатора, если они прекратят работу, поэтому требуются два оптических модулятора и умные стратегии управления (для прогнозирования переключения режимов и обработки коротких замыканий), что добавляет стоимость, но обеспечивает надежное питание.

4 Проектирование надежности

Электронные демпферы превосходят традиционные, но зависят от сложных технологий (например, передача технологий, экспертиза высокого напряжения), в конечном итоге заменяя их. Резервирование повышает надежность: защитные каналы используют двойные резервные воздушные катушки и преобразователи. Ключевые инструменты (например, преобразователи мощностных модулей) нуждаются в простой автоматизации. Защитные меры учитывают влияние коротких замыканий на циклы выборки и высокопроизводительные лазеры в каналах защиты ATM. Высокопроизводительные лазеры представляют опасность для операторов, но отключаются вместе с модулями питания, чтобы предотвратить опасность.