Намаление на въвеждащия ток на среднонапрастни трансформатори чрез управляващо комутиращо устройство

Управляеми превключватели в средноволтова зона

Преди повече от три десетилетия управляемите превключватели (CSDs) бяха въведени за първи път, за да намалят преходните процеси, причинени от високоволтови превключватели, свързани с паралелни реактори и кондензаторни блокове. Последващите изследвания разшириха тяхното приложение към предавателни линии и трансформатори. Първоначално тези устройства оптимизираха моментите на превключване по фази, използвайки независимо управлявани полюси на превключвателите (IPO).

Наскорошният ръст на глобалния енергиен споразумял е стимулирал интеграцията на возобновяеми източници на енергия в средноволтовите разпределителни мрежи, вместо единствено във високоволтови (HV) системи за предаване. Този променен изисква решаване на проблеми с нападнали напрежения, произтичащи от неуправляеми входящи токове при зареждане на трансформатори.

Средноволтовата комутационна апаратура обикновено работи с трите полюса едновременно, което се различава от независимата операция в приложенията с високо напрежение. Това изисква значителни напредъци в технологията на CSD, за да се управляват ефективно входящите токове при зареждане на трансформатори, използвайки стандартни превключватели с едновременно управление на полюсите. Днес това нововъведение е широко използвано не само в установки за возобновяема енергия като вятърни паркове и фотоелектрични станции, но и в промишлените и транспортните мрежи, където контролът на входящите токове е важен за надеждното зареждане както на средноволтови, така и на високоволтови трансформатори.

Входящ ток в средноволтови трансформатори

Магнитудата на входящия ток при зареждане на трансформатора е значително влияна от остатъчната флукс в ядрото на трансформатора; по-високи нива на остатъчен флукс могат да доведат до по-големи входящи токове при случаен заряд. Ефективни стратегии за намаляване са необходими, за да се избегнат оперативни смущения и да се гарантира стабилността на мрежата.

Чрез прилагане на напредъците в управляемите методи на превключване, е възможно да се минимизират или избегнат тези входящи токове. Тези методи не само подобряват надеждността на системата, но и продължават срока на използване на оборудването, намаляват разходите за поддръжка и подобряват общата ефективност в средноволтовите разпределителни мрежи. Приемането на такива технологии представлява ключово напредък в адаптирането към развиващите се нужди на модерните електрически разпределителни мрежи.

Връзка между остатъчния флукс и входящия ток на трансформатора

Данните, събрани на полето по време на въвеждането на управляеми превключватели (CSDs) на превключватели и комутационна апаратура с едновременно управление на полюсите, са потвърдили връзката между остатъчния флукс и входящия ток на трансформатора. Използването на CSDs обикновено води до намаляване с 3:1 на входящия ток в сравнение с случаен заряд, значително намалявайки потенциалните смущения.

Методи за намаляване на входящия ток с групово управляем превключвател

Следващото обяснение илюстрира концепцията на управляемото превключване за намаляване на входящия ток, приложена към силови трансформатори:

Когато демагнетизираната фаза R на силов трансформатор е заредена в момент на нулево пресичане на напрежението (както е показано вляво на Фигура 1), това принуждава ядрото на трансформатора дълбоко в насищане, внасяйки допълнителни 2 единици пер юнит (p.u.) флукс в ядрото. Това състояние може да доведе до значителни входящи токове поради насищането на ядрото.

Обаче, когато трансформаторът е зареден в положителния връх на напрежението, този първоначален положителен четвърт цикъл добавя само 1 p.u. флукс в ядрото. Когато напрежението после премине към отрицателната половина на цикъла, то започва да намалява флукса в ядрото. Тъй като трансформаторът не достига границата на насищането при тези условия, насищането на ядрото се избягва, предотвратявайки появата на входящ ток.

Този сценарий съответства на стационарното зареждане на трансформатора, където ядрото на флуксът закъснява напрежението с 90 градуса. Чрез внимателно избиране на момент на зареждане, за да съвпадне с оптимални точки в напрежението, рискът от входящи токове се минимизира, осигурявайки по-гладко и по-стабилно функциониране на трансформатора.

Съкратено, техниките на управляемо превключване използват точни моменти, за да намалят ефективно входящите токове. Чрез избягване на насищането на ядрото чрез стратегически моменти на зареждане в цикъла на напрежението, тези методи осигуряват надеждно функциониране на трансформатора, подобряват стабилността на мрежата и намаляват оперативните смущения. Този подход представлява ключов напредък в технологията на средноволтовата комутационна апаратура, предлагайки значителни ползи както за нови инсталации, така и за модернизация на съществуващи системи.

Ситуацията става по-сложна, когато се използва 3-фазен превключвател с едновременно управление на полюсите. В действителност, изборът на момент на зареждане, който минимизира входящия ток на една фаза, може да е вреден за другите две фази. Това е илюстрирано на Фигура 2, където намаляването на входящия ток за фаза R на демагнетизиран трансформатор (вляво) оказва неблагоприятно влияние върху фазите Y и B (вдясно).

Чрез оптимизиране на момента на зареждане за една фаза, за да се намали нейният входящ ток, условията за другите две фази може случайно да доведат до увеличение на входящите токове, показвайки необходимостта от балансиран подход в многофазните системи.

Както е обяснено по-рано, моделът на остатъчния флукс в силов трансформатор е резултат от неговото предходно деенергизиране.

Когато трансформаторът е повторно зареден, динамичният флукс, индуциран от приложено напрежение, се добавя или се изважда от остатъчния флукс, в зависимост от полярността на приложеното напрежение. Според принципите на управляемото превключване, оптималният момент на зареждане за фаза на силов трансформатор настъпва, когато индуцираният потенциален флукс съвпада със съществуващия остатъчен флукс (Фигура 3, вляво). Например, при наличието на положителен остатъчен флукс, приложение на отрицателно напрежение първо намалява флукса в ядрото до нула в отрицателния връх на напрежението и след това незабавно достига стационарната работа на трансформатора без насищане на ядрото му.

Обратно (Фигура 3, вдясно), зареждане на фазата в положителното нулево пресичане на напрежението би добавило 2 p.u. положителен флукс в ядрото върху съществуващия 0.5 p.u. остатъчен флукс. Това тласка ядрото на силовия трансформатор в дълбоко насищане, водещо до извънредно висок входящ ток. Следователно, наличието на остатъчен флукс увеличава максималния входящ ток, когато зареждането на трансформатора е неуправляемо.

Точно избиране на момент на зареждане, за да съвпадне индуцираният флукс с остатъчния флукс, може ефективно да предотврати насищането на ядрото, като по този начин намалява входящите токове и осигурява гладко функциониране на трансформатора. Тази стратегия не само подобрява надеждността на системата, но и удължава срока на използване на оборудването и намалява разходите за поддръжка. Правилното определяне на момента на зареждане е особено критично в многофазните системи, за да се балансире производителността във всички фази, осигурявайки стабилност и ефективност на мрежата.

Този подход подчертава важността на вземането предвид ефекта на остатъчния флукс при проектиране и имплементиране на технологии за управляемо превключване на силови трансформатори, с цел постигане на по-ефективни и надеждни електропреносни мрежи.

Когато има остатъчен флукс в ядрото на трансформатора, ситуацията с групово управляем превключвател става още по-сложна. Оптималният момент на зареждане трябва да вземе предвид едновременната работа на всички три фази в зависимост от големината и полярността на остатъчния флукс. Обаче, за всяка възможна конфигурация на остатъчния флукс, винаги има оптимален момент на зареждане, който води до минимално насищане на трансформатора (Фигура 4).

В следния пример, моделът на остатъчния флукс е 0, -0.5, и +0.5 p.u. в фазите R, Y, и B, съответно. Зареждане на силовия трансформатор на 90° (връх на напрежението на фаза R) води до минимално насищане на фазите. Обаче, затваряне на синята фаза (приемайки, че е фаза B) в положителното нулево пресичане на напрежението (240°) би довело до най-лошия входящ ток, който би бил 6.5 пъти по-висок от оптималния момент на превключване, изчислен от управляемо устройство за превключване (CSD).

Това подчертава важността на точното определяне на оптималния момент на зареждане за всяка конкретна конфигурация на остатъчния флукс, за да се минимизира насищането на трансформатора и входящите токове. Правилното определяне на момента осигурява по-гладко функциониране и подобрява надеждността и ефективността на електропреносната система.

Когато зареждането на силов трансформатор не се контролира, най-лошият възможен входящ ток винаги ще се появи в фазата с най-висок остатъчен флукс. Управляемо устройство за превключване (CSD) минимизира входящия ток при зареждане, като изчислява оптималния момент за затваряне на полюсите, основавайки се на модела на остатъчния флукс. Следователно, при специфични условия с висок остатъчен флукс, входящият ток може напълно да бъде елиминиран.

Фигура 5 илюстрира теоретичния относителен входящ ток при зареждане като функция на най-високия от трите остатъчни флукси, измерени в трансформатора (с коляно на насищане на 1.2 p.u.). Върховният входящ ток е нормализиран до максималния ток при зареждане на демагнетизираното ядро. Когато остатъчният флукс в ядрото е висок (на хоризонталната ос), CSD елиминира входящия ток, предотвратявайки трансформатора от влизане в насищане (долна област на синята линия). От друга страна, зареждане на силовия трансформатор в случаен момент може да тласне трансформатора в пълно насищане (червената линия), водещо до извънредно висок входящ ток и последващи проваляния на напрежението в мрежата. Тази диаграма демонстрира ефективността на намаляването на входящия ток, предоставена от CSD, в сравнение с случаен или неуправляем заряд.