Nyckelteknologier och utmaningar för högspännings elektroniska transformatorer

Traditionella strömförstärkare står inför inbyggda problem på grund av sina sensorer. De är avgörande för övervakning, kontroll och skydd av kraftverk (t.ex. felregistrering, säkerhetskontroll). Stor elektrisk energiöverföring via informationsbärare samt brist på digital signalutmatning från digitala system komplicerar sekundär kommunikation. Komplex sekundär kablage kompenserar mikrodatorers höga tillförlitlighet, vilket förenklar skydd och sekundära enheter. Denna innovation kommer att integrera sekundära utrustningar i system, vilket accelererar digitalisering/datorisering av anläggningar och omvandlar strömsystemets automatisering/skydd.

Elektroniska transformatorer hanterar optisk transmissionisolering, men högspänningsledningar för signalspelning/överföring behöver stabil, tillförlitlig DC-ström - en viktig teknisk utmaning med rot i fysiken. En variabel elektromagnetisk fält runt den mätta högspänningsledaren, som kan erhållas genom elektromagnetisk induktion, är ideal (energin är "självladdande", extraheras från och används för det mätta objektet, baserat på AC-elektromagnetisk stimulans). Tekniska hinder tvingar dock till att man måste lita på dyra metoder (t.ex. laser, mikrovågor). Detta arbete utforskar självreglering av strömförsörjning via nydanande elektronisk teknik, inklusive optisk kommunikation och magnetiska material.

1 Luftkärnspiral

På detta stadium använder högspännings-ETA luftkärnspiraler som sensorelement. Lågspänningshalvledarlaser, drivna av optiska fibrer på högspänningsmodulerade linjer, konverterar spänningsignaler. Mätta elektriska uppgifter (inmatade som digitala signaler) driver LED-lampor, med optiska fibrer som överför signaler till lågspänningssidan som optiska pulser.

I motsats till traditionell transformerindelning följer luftkärnspiraler strikta regler: Sekundära vindningar är jämnt fördelade på icke-metalliska magnetiska ramverk (enformig tvärsnitt); spiraler har samma form; varje vindnings horisontella plan måste vara vinkelrätt mot spiralens tangent (annars ökar mätfel). Halvautomatisk vindning misslyckas ofta med dessa kriterier i praktiken, vilket ökar energiförbrukningen under massproduktion. Vanligtvis når luftkärnspirals strukturella precision 0,1% (genomsnitt 2%).

Även om temperaturrelaterad drift är enkel, anger IEC-standarderna klara kvantitativa krav för sekundär utmatning vid nominell ström - alla initiala avvikelser räknas in i mätfel. Att lösa atomisering av luftkärnstransformatorer i produktion är viktigt. Transformatorer med resistansmärken behöver särskilt godkännande (från Electrical and Mechanical Services Department) för sekundär utmatning, vilket hindrar industrialisering. Därför behövs nya luftkärnspirals optiska sensorstrukturer. Genom PCB-teknik har forskare utvecklat innovativa designar, vilket ökar mätprecision och stabilitet.

2 Övergångsegenskaper

I högspänningsnät leder stor systemkapacitet till en konstant, relativt lång primär cykel. Reläskydd aktiveras under övergångar, med långvariga kortslutningsströmmar. För att säkerställa drift av skyddsenheter måste transformatorer vara något deformade; den andra utdataersignalen ersätter den första avbrottsströmmen, och övergångsdefekter inom angivet tid måste inte överstiga gränser. Övergångsegenskaperna hos luftkärnspiralsbaserade elektroniska strömförstärkare är ett viktigt styrka.

En integrator med begränsad tidskonstant återhämtar mätta elektriska signaler. Om kretsar har jod-periodiska komponenter beror fegegenskaperna mer på lågfrekvens. Lägre frekvenser förbättrar spårning och minskar fel (t.ex. ett systemets öppningsdel svagare efter 0,5s kräver att strömförändrarens lågfrekvens hålls under 2Hz för bättre dämpningscykelspårning). Långsamare övergångsförfall och utdataersignalattenuering inträffar när luftkärnströmförstärkare och integratorer stängs av vid noll primärström. Oförenlighet med nollpositionsstängselsystem orsakar mätfel. Integratordesign och optimering är alltså kritiska för luftkärntransformatorernas prestanda.

3 Strömförsörjning på högspännings sidan

Luftkärnströmförstärkare använder "energiförsörjningar" för att dra energi från den primära ledaren vid hög spänning. Elektroniska kretsar ger ström, men mycket låga primärströmmar (t.ex. ≤5% nominell ström) hindrar strömförändrare från att upprätthålla normal excitation eller överföra energi, vilket skapar en strömdöd zon. Design av fiberoptisk strömförsörjning för lågspännings halvledarlaser vid högspänningsmodulerade kretsar står inför hög energiförbrukning (≈60mW).

Att balansera energianvändning och prestanda är viktigt: med 30% fotoelektrisk konverteringsverkan behöver halvledarlaser minst 180mW utmatning - vilket förkortar deras livslängd och ökar kostnader. Hybridenergibärare löser detta: KT ger ström för höga primärströmmar; laserbaserade försörjningar förlänger livslängden vid låga strömmar. Beroende av laser riskerar transformer att sluta fungera om de stannar, så två optiska modulatorer och smarta kontrollstrategier (för att förutse lägesbyte och hantera kortslutningar) behövs, vilket ökar kostnaden men säkerställer pålitlig ström.

4 Tillförlitlighetsdesign

Elektroniska dämpare överträffar traditionella men bygger på komplexa teknologier (t.ex. teknologiöverföring, högspänningskompetens), vilket till slut ersätter dem. Redundans ökar tillförlitlighet: skyddschanneler använder dubbelredundanta luftkärnspiraler och konverterare. Viktiga verktyg (t.ex. strömförändrarmoduler) behöver enkel automatisering. Skyddsåtgärder adresserar kortslutningens påverkan på provtagningscykler och högpresterande lasrar i ATM-skyddschanneler. Högpresterande lasrar innebär operatörsrisker men stängs av med strömförändrarmoduler för att förhindra faror.