Ključne tehnologije i izazovi visokonaponskih elektronskih transformatora

Tradicionalni transformatori snage suočeni su sa inherentnim problemima zbog svojih senzora. Kritično je da su oni važni za nadzor kontrolu i zaštitu elektrane (npr. snimanje grešaka, sigurnosna upravljanja). Međutim, veliki prenos električne energije putem nosača informacija i nedostatak digitalnog izlaza signala iz digitalnih sistema komplicira sekundarnu komunikaciju. Kompleksna sekundarna žičevina kompenzira visoku pouzdanost mikračunara, pojednostavljivajući zaštitu i sekundarne uređaje. Ova inovacija će integrisati sekundarne opreme u sisteme, ubrzavajući digitalizaciju/računalnu obradu podstajanja i transformaciju automatizacije/zaštite sistema snage.

Elektronski transformatori rukuju optičkom izolacijom prenosa, ali visokonaponske linije za snimanje/prenos signala zahtevaju stabilnu i pouzdanu jednosmernu struju – ključni tehnički izazov temeljen na fizici. Promenljivo magnetsko polje oko merenog visokonaponskog vodnika, dostupno putem elektromagnetske indukcije, idealno je (energija je "samostimulirana", ekstrahovana iz i korišćena za mereni objekat, zasnovana na AC elektromagnetskom stimuliranju). Ipak, tehnički prepreke prisiljavaju da se oslanjamo na skupa metode (npr. lazeri, mikrovalovi). Ovaj rad istražuje samoregulaciju napajanja putem modernih elektronskih tehnologija, pokrivajući optičku komunikaciju i magnetske materijale.

1 Bobina s praznim jezgrom

U ovoj fazi, ETA visokog naponskog koristi bobine s praznim jezgrima kao elemente za merenje. Niskonaponski poluprovodnički lazeri, napajani optičkim vlaknima na visokonaponskim moduliranim linijama, pretvaraju signale napona. Merene električne informacije (ulaz kao digitalni signal) pokreću LED-e, a optička vlakna prenose signale na niskonaponsku stranu kao optičke impulsi.

U suprotnosti sa tradicionalnim obmotom transformatora, bobine s praznim jezgrima prate stroge pravila: Sekundarni obmoti ravnomerno su raspoređeni na nemetalne magnetske skelete (uniformni poprečni presek); bobine imaju isti oblik; svaki obmot horizontalno mora biti uspostavljen okomito na tangentu ljuske bobine (inace, greške merenja porastu). Poluautomatski obmot često ne ispunjava ova kriterijum u praksi, povećavajući potrošnju energije tokom masovne proizvodnje. Obično, preciznost strukture bobine s praznim jezgrom dostiže 0,1% (prosečno 2%).

Iako je temperatura vezana operacija jednostavna, standardi IEC zahtevaju jasne kvantitativne zahteve za sekundarnim izlazom pod nominiranim tokom - sve početne odstupanja brojaju se u greške merenja. Rešavanje atomizacije transformatora s praznim jezgrom u proizvodnji je ključno. Transformatori sa oznakama otpora zahtevaju posebnu dozvolu (od Uprave za električne i mehaničke usluge) za sekundarni izlaz, sprečavajući industrijsku primenu. Stoga su potrebne nove strukture optičkih senzora s praznim jezgrom. Putem PCB tehnologije, istraživači razvili su inovativne dizajne, unapređujući preciznost i stabilnost merenja.

2 Privremene karakteristike

U visokonaponskim mrežama, velika kapacitet sistema dovodi do konstantnog, relativno dugog primarnog ciklusa. Relojna zaštita aktivira se tokom prelaza, sa dugotrajnim strujama kratkog spoja. Da bi se osigurala operacija zaštitnih uređaja, transformatori moraju ostati malo deforme; drugi izlazni signal zamenjuje prvi prekidni tok, a privremene defekte u određenom vremenskom periodu ne smeju prevaziti granice. Privremene performanse elektronskih transformatora snage baziranih na bobinama s praznim jezgrom predstavljaju ključnu snagu.

Integrator, sa ograničenim vremenskim konstantama, vraća merene električne signale. Ako krugovi imaju iod-periodične komponente, karakteristike grešaka više zavise od niskih frekvencija. Niže frekvencije poboljšavaju praćenje i smanjuju greške (npr. otvaranje elementa sistema slabe u 0,5s zahteva da niska frekvencija pretvarača moći ostane ispod 2Hz za bolje praćenje ciklusa prigušenja). Sporiji privremeni pad i atenuacija izlaznog signala dolaze kada se transformatori s praznim jezgrom i integratori isključe na nuli primarnog toka. Nesaglasnost sa sistemima isključivanja na nuli dovodi do grešaka merenja. Stoga je dizajn i optimizacija integratora ključni za performanse transformatora s praznim jezgrom.

3 Napajanje visokonaponske strane

Transformatori snage s praznim jezgrom koriste "napajanje uzimajuće energiju" kako bi uzimali energiju iz primarnog vodnika na visokom naponu. Elektronski krugovi pružaju napajanje, ali veoma niske primarni tokovi (npr. ≤5% nominiranog toka) sprečavaju pretvarače toka da održavaju normalnu pobudu ili prenose energiju, stvarajući zonu bez napajanja. Dizajniranje optičkih vlakana za napajanje niskonaponskih poluprovodničkih lazera za visokonaponske modulacione krugove suočeno je sa visokom potrošnjom energije (≈60mW).

Balansiranje upotrebe energije i performansi je ključno: sa 30% efikasnosti fotoelektrične konverzije, poluprovodnički lazeri trebaju najmanje 180mW izlaza - skraćujući njihov vek trajanja i povećavajući troškove. Hibridni nosači energije rešavaju ovo: KT pruža napajanje za visoke primarne tokove; lazerski izvori napajanja produžavaju vek trajanja za niske tokove. Oslanjanje na lasere riziči da transformator prestane da radi ako oni prestanu, tako da su potrebni dva optička modulatora i pametne strategije kontrole (da bi predvideli promene režima i obradili kratke spojeve), dodajući troškove, ali osiguravajući pouzdano napajanje.

4 Dizajn pouzdanosti

Elektronski demperi prevazilaze tradicionalne, ali se oslanjaju na složene tehnologije (npr. transfer tehnologije, stručnjake za visok napon), zamenjujući ih na kraju. Redundancija povećava pouzdanost: kanali za zaštitu koriste dvostruko redundantne bobine s praznim jezgrom i pretvarače. Ključne alate (npr. pretvarači napajanja modula) treba automatski upravljati. Zaštitne mere se bave uticajima kratkih spojeva na cikluse uzorkovanja i visoko performantne lasere u kanalima za zaštitu ATM. Visoko performantni laseri predstavljaju rizik za operatore, ali se isključuju zajedno sa modulima napajanja kako bi se spriječili opasnosti.