Atenuació de la corrent d'entrada del transformador de mitja tensió mitjançant un dispositiu de commutació de control

Dispositius de commutació controlada en el rang de tensió mitjana

Fa més de tres dècades, els Dispositius de Commutació Controlada (DCC) van ser introduïts per atenuar les transitories causades pels interruptors de alta tensió connectats a reactances en paral·lel i bancs de condensadors. Les investigacions posteriors van ampliar la seva aplicació a línies d'interconnexió i transformadors de potència. Inicialment, aquests dispositius optimitzaven els moments de commutació per fases utilitzant interruptors de circuit independentment operats (IPO).

Recentment, l'increment global de la demanda d'energia ha impulsat la integració de fonts d'energia renovable en xarxes de distribució de tensió mitjana en comptes de depenir únicament dels sistemes de transmissió d'alta tensió (AT). Aquest canvi ha necessitat abordar problemes de caiguda de tensió deguts a corrents d'inrush no controlades durant l'energització dels transformadors.

La maquinària de baixa tensió sol operar amb tres pols simultàniament, el que contrasta amb l'operació independent en aplicacions d'alta tensió. Això va requerir avanços significatius en la tecnologia DCC per gestionar eficientment les corrents d'inrush durant l'energització dels transformadors utilitzant commutadors estàndard amb operació simultània dels pols. Avui en dia, aquesta innovació es fa servir àmpliament no només en instal·lacions d'energia renovable com parc eòlics i plantes fotovoltaiques, sinó també en configuracions industrials i xarxes de transport, on el control de les corrents d'inrush és crucial per a l'energització fiable tant de transformadors de tensió mitjana com d'alta tensió.

Corrent d'inrush en transformadors de tensió mitjana

La magnitud de la corrent d'inrush durant l'energització del transformador es veu significativament influenciada pel flux residual dins del nucli del transformador; nivells més alts de flux residual poden portar a corrents d'inrush més grans en l'energització aleatòria. Són essencials estratègies d'atenuació efectives per evitar pertorbacions operatives i assegurar l'estabilitat de la xarxa.

Implementant tècniques avançades de commutació controlada, és possible minimitzar o eliminar aquestes corrents d'inrush. Aquests mètodes no només milloren la fiabilitat del sistema, sinó que també augmenten la vida útil de l'equipament, reduïxen els costos de manteniment i milloren l'eficiència general en xarxes de distribució de tensió mitjana. L'adopció d'aquestes tecnologies marca un avanç clau en l'adaptació a les demandes evolutives de les xarxes de distribució elèctrica modernes.

Relació entre el flux residual i la corrent d'inrush del transformador

Les dades de camp recollides durant la comissió de Dispositius de Commutació Controlada (DCC) en interruptors de circuit i maquinària de commutació amb operació simultània dels pols han verificat la relació entre el flux residual i la corrent d'inrush del transformador. Utilitzar DCC normalment resulta en una reducció de 3:1 en la corrent d'inrush en comparació amb l'energització aleatòria, mitjancant una atenuació significativa de les possibles pertorbacions.

Mètodes d'atenuació de la corrent d'inrush amb interruptor de circuit operat en grup

La següent explicació il·lustra el concepte de commutació controlada per a l'atenuació de la corrent d'inrush aplicada als transformadors de potència:

Quan s'energítza la fase R d'un transformador de potència desmagnetitzat al creuat zero de la tensió (com es mostra a l'esquerra en la Figura 1), força el nucli del transformador a saturar profundament, introduint un flux addicional de 2 unitats per unitat (p.u.) al nucli. Aquesta condició pot portar a corrents d'inrush significatives degudes a la saturació del nucli.

Tanmateix, quan el transformador s'energítza al crest de tensió positiva, aquest primer quart de cicle positiu només afegeix 1 p.u. de flux al nucli. Com la tensió llavors passa a la meitat del cicle negatiu, comença a disminuir el flux dins del nucli. Com que el transformador no arriba al seu límit de saturació en aquestes condicions, es pren la saturació del nucli, evitant així l'aparició de la corrent d'inrush.

Aquest escenari correspon a l'energització en estat estacionari del transformador, on el flux del nucli es retarda 90 graus respecte a la tensió. Escullent cuidadosament el moment de l'energització per coincidir amb punts òptims en la forma d'ona de la tensió, es minimitza el risc de corrents d'inrush, assegurant una operació més suau i estable del transformador.

En resum, les tècniques de commutació controlada utilitzen una cronometrada precisa per atenuar efectivament les corrents d'inrush. Evitant la saturació del nucli a través de punts d'energització estratègics en el cicle de tensió, aquests mètodes asseguren un rendiment fiable del transformador, milloren l'estabilitat de la xarxa i redueixen les pertorbacions operatives. Aquest enfocament representa un avanç crític en la tecnologia de maquinària de commutació de tensió mitjana, oferint beneficis substancials tant per a noves instal·lacions com per a actualitzacions de sistemes existents.

La situació es complica encara més quan s'utilitza un interruptor de tres fases amb operació simultània dels pols. De fet, seleccionar l'instant d'energització que minimitzi la corrent d'inrush en una fase pot ser prejudicial per a les altres dues fases. Això es il·lustra en la Figura 2, on atenuar la corrent d'inrush per a la fase R d'un transformador desmagnetitzat (esquerra) afecta negativament les fases Y i B (dreta).

Optimitzant el moment d'energització per a una fase per reduir-ne la corrent d'inrush, les condicions per a les altres dues fases poden inadvertidament portar a corrents d'inrush més altes, destacant la necessitat d'un enfocament equilibrat en sistemes multi-fase.

Com s'ha explicat anteriorment, el patró de flux residual en un transformador de potència és el resultat de la seva desenergització previa.

Quan un transformador es reenergítza, el flux dinàmic induït per la tensió aplicada s'afegeix o resta del flux residual depenent de la polaritat de la tensió aplicada. Segons els principis de la commutació controlada, l'instant d'energització òptim per a una fase d'un transformador de potència ocorre quan el flux prospectiu induït coincideix amb el flux residual existent (Figura 3, esquerra). Per exemple, en presència de flux residual positiu, aplicar tensió negativa primer disminuiria el flux del nucli a zero al crest de tensió negativa i llavors immediatament arribaria a l'operació en estat estacionari del transformador sense saturar el seu nucli.

Al contrari (Figura 3, dreta), energitzar la fase al creuat zero positiu de la tensió afegiria 2 p.u. de flux positiu al nucli a més del flux residual de 0,5 p.u. existent. Això empeny el nucli del transformador a una saturació profunda, resultant en una corrent d'inrush excessiva. Per tant, la presència de flux residual incrementa la corrent d'inrush màxima quan l'energització del transformador no està controlada.

Escollint precisament l'instant d'energització per fer coincidir el flux induït amb el flux residual, es pot prevenir efectivament la saturació del nucli, reduint les corrents d'inrush i assegurant una operació suau del transformador. Aquesta estratègia no només millora la fiabilitat del sistema, sinó que també allarga la vida útil de l'equipament i redueix els costos de manteniment. La cronometrada adequada de l'energització és especialment crítica en sistemes multi-fase per equilibrar el rendiment entre fases, assegurant l'estabilitat i l'eficiència de la xarxa.

Aquest enfocament subratlla l'importància de considerar l'efecte del flux residual en el disseny i implementació de tecnologies de commutació controlada per a transformadors de potència, amb l'objectiu d'aconseguir xarxes de transmissió d'energia més eficients i fiables.

Quan hi ha flux residual en el nucli del transformador, la situació amb un interruptor de circuit operat en grup es complica encara més. L'instant d'energització òptim ha de tenir en compte l'operació simultània de les tres fases segons la magnitud i la polaritat del flux residual. Tanmateix, per a cada possible patró de flux residual, sempre hi ha un instant d'energització òptim que resulta en una saturació mínima dels transformadors (Figura 4).

En l'exemple següent, el patró de flux residual és 0, -0,5 i +0,5 p.u. en les fases R, Y i B, respectivament. Energitzar el transformador de potència a 90° (el crest de tensió de la fase R) resulta en la mínima saturació de les fases. Tanmateix, tancar la fase blava (assumint la fase B) al creuat zero positiu de la tensió (240°) causaria la pitjor corrent d'inrush, que seria 6,5 vegades més gran que l'instant de commutació òptim calculat per un Dispositiu de Commutació Controlada (DCC).

Això destaca l'importància de determinar amb precisió l'instant d'energització òptim per a cada condició específica de flux residual per minimitzar la saturació del transformador i les corrents d'inrush. Una cronometrada adequada assegura una operació més suau i millora la fiabilitat i l'eficiència del sistema d'energia.

Quan no es controla l'energització d'un transformador de potència, la pitjor corrent d'inrush possible sempre apareixerà en la fase amb el flux residual més alt. Un Dispositiu de Commutació Controlada (DCC) minimitza la corrent d'inrush d'energització calculant l'instant òptim de tancament dels pols basant-se en el patró de flux residual. Conseqüentment, en condicions específiques de flux residual alt, la corrent d'inrush es pot eliminar completament.

La Figura 5 il·lustra la corrent d'inrush relativa teòrica durant l'energització en funció del flux residual més alt de les tres mesures en el transformador (amb un genoll de saturació a 1,2 p.u.). La corrent d'inrush màxima està normalitzada a la corrent d'energització màxima del nucli desmagnetitzat. Quan el flux residual del nucli és alt (en l'eix horitzontal), el DCC elimina la corrent d'inrush prevenint que el transformador entre en saturació (àrea inferior de la línia blava). Al contrari, energitzar el transformador de potència en un moment aleatori pot empenyar el transformador en saturació total (línia vermella), conduint a una corrent d'inrush excessiva i a posterior caiguda de tensió a la xarxa. Aquest diagrama, per tant, demostra l'eficàcia de la mitigació de la corrent d'inrush proporcionada per un DCC en comparació amb l'energització aleatòria o no controlada.