Ключові технології та виклики високонапіжних електронних перетворювачів

Традиційні електроперетворювачі стикаються з власними проблемами через свої датчики. Критично, що вони важливі для моніторингу, керування та захисту електростанцій (наприклад, запис помилок, безпекове керування). Однак, велика передача електроенергії через носії інформації та відсутність цифрового сигналу від цифрових систем ускладнює вторинну комунікацію. Складне вторинне проводження компенсує високу надійність мікрокомп'ютерів, спрощуючи захист та вторинні пристрої. Ця інновація інтегрує вторинне обладнання в системи, прискорюючи цифровізацію/комп'ютеризацію підстанцій та перетворюючи автоматизацію/захист енергосистем.

Електронні перетворювачі забезпечують оптичну ізоляцію передачі, але для запису/передачі сигналів на високовольтних лініях потрібна стабільна, надійна постійна струмова енергія — це ключова технічна проблема, яка має коріння в фізиці. Змінне електромагнітне поле навколо вимірюваного високовольтного провідника, отримане через електромагнітну індукцію, є ідеальним (енергія є «самостійно-стимульованою», витягується з і використовується для вимірюваного об'єкту, на основі АС електромагнітної стимуляції). Проте, технічні перешкоди змуšують залежати від дорогих методів (наприклад, лазери, мікрохвильові). Ця стаття розглядає саморегулювання живлення через сучасні електронні технології, охоплюючи оптичну комунікацію та магнітні матеріали.

1 Воздушний сердечник

На цьому етапі високовольтний ETA використовує катушки з повітряним сердечником як датчики. Низьковольтні напівпровідникові лазери, живлені оптоволоконними лініями на високовольтних модульованих лініях, перетворюють сигнали струму. Виміряна електрична інформація (введена як цифрові сигнали) активує світлодіоди, з оптоволоконними лініями, які передають сигнали на низьковольтну сторону у вигляді оптичних імпульсів.

На відміну від традиційного намотування перетворювача, катушки з повітряним сердечником дотримуються строгих правил: вторинні намотки рівномірно розподілені на неметалевих магнітних каркасах (рівномірний переріз); катушки мають однакову форму; кожна намотка в горизонтальній площині повинна бути перпендикулярною до дотичній до корпусу катушки (інакше, вимірювальні помилки збільшуються). Півручне намотування часто не відповідає цим критеріям на практиці, збільшуючи споживання енергії при масовому виробництві. Зазвичай, точність конструкції катушки з повітряним сердечником досягає 0,1% (в середньому 2%).

Хоча температурна робота проста, стандарти IEC встановлюють чіткі кількісні вимоги до вторинного виводу при номінальному струмі — всі початкові відхилення враховуються як вимірювальні помилки. Розв'язання проблеми атомізації перетворювача з повітряним сердечником виробництва є критичним. Перетворювачі з резистивними позначками потребують спеціального затвердження (від Департаменту електричних та механічних послуг) для вторинного виводу, що заважає індустриалізації. Тому потрібні нові конструкції оптичних датчиків з повітряним сердечником. За допомогою технології PCB, дослідники розробили інноваційні дизайни, підвищуючи точність та стабільність вимірювань.

2 Перехідні характеристики

У високовольтних мережах, велика пропускна здатність системи призводить до сталого, відносно довгого періоду первинного циклу. Реле-захист активується під час переходів, з довготривалими короткочасними струмами. Для забезпечення роботи пристроїв захисту, перетворювачі повинні залишатися трохи спотвореними; другий вивід сигналу замінює перший перервний струм, і перехідні дефекти в межах заданого часу не повинні перевищувати граничні значення. Перехідні характеристики електронних електроперетворювачів на основі катушок з повітряним сердечником є ключовою перевагою.

Інтегратор, з обмеженою часовною сталою, відновлює виміряні електричні сигнали. Якщо в колах є йод-періодичні компоненти, характеристики помилок залежать більше від нижніх частот. Нижчі частоти покращують відстеження та зменшують помилки (наприклад, ослаблення елемента відкриття системи за 0,5 секунди вимагає, щоб нижча частота електроперетворювача залишалася нижче 2 Гц для кращого відстеження демпфуючого циклу). Медленніше перехідне згасання та згасання виводного сигналу відбуваються, коли трансформатори струму з повітряним сердечником та інтегратори вимикаються при нульовому первинному струмі. Несумісність з системами вимкнення при нульовій позиції призводить до вимірювальних помилок. Тому проектування та оптимізація інтегратора є критичними для продуктивності перетворювачів з повітряним сердечником.

3 Живлення високовольтної сторони

Перетворювачі з повітряним сердечником використовують «енергетичні живлення» для видобутку енергії з первинного провідника при високому напругу. Електронні кола забезпечують живлення, але дуже низький первинний струм (наприклад, ≤5% номінального струму) не дозволяє струмовим конвертерам підтримувати нормальну екситацію або передавати енергію, створюючи енергетичну мертвую зону. Проектування оптоволоконного живлення для високовольтних модульованих колів напівпровідникових лазерів на низьковольтній стороні стикається з високим споживанням енергії (≈60 мВт).

Балансування використання енергії та продуктивності є ключовим: з 30% ефективністю фотоелектричного перетворення, напівпровідниковим лазерам потрібен принаймні 180 мВт вивід — що скорочує їхній термін служби та збільшує вартість. Гібридні носії енергії вирішують це: KT забезпечує живлення при високих первинних струмах; лазерні живлення продовжують термін служби при низьких струмах. Залежність від лазерів ставить під загрозу невдалість перетворювача, якщо вони зупиняться, тому потрібні два оптичні модулятори та інтелектуальні стратегії керування (для прогнозування зміни режимів та управління короткими замиканнями), що збільшує вартість, але забезпечує надійне живлення.

4 Проектування надійності

Електронні демпфери перевершують традиційні, але залежать від складних технологій (наприклад, передача технологій, високовольтна експертиза), врешті-решт замінюючи їх. Надлишковість підвищує надійність: канали захисту використовують подвійні резервні катушки з повітряним сердечником та конвертери. Ключові інструменти (наприклад, конвертери модулів живлення) потребують простого автоматизування. Захисні заходи враховують вплив короткозамкнень на цикли відбору проб та високопродуктивні лазери в каналах захисту ATM. Високопродуктивні лазери становлять ризик для операторів, але вимикаються разом з модулями живлення, щоб запобігти небезпеці.