Snížení přírushového proudu středního napěťového transformátoru pomocí ovládacího přepínače

Řízené přepínací zařízení v oblasti středního napětí

Před třemi dekádami byla poprvé zavedena řízená přepínací zařízení (CSD) pro snížení přechodných jevů způsobených vysokonapěťovými vypínači spojenými s paralelními reaktory a kondenzátorskými bateriemi. Následné výzkumy rozšířily jejich použití na přenosové linky a transformátory. Původně tyto zařízení optimalizovaly okamžiky přepnutí na fázové úrovni pomocí nezávisle ovládaných vypínačů (IPO).

Nedávno se globální nárůst poptávky po energii posunul k integraci obnovitelných zdrojů do distribučních sítí středního napětí, namísto pouhého spoléhání na vysokonapěťové (HV) přenosové systémy. Tento posun vyžadoval řešení problémů s propadem napětí způsobeného nekontrolovanými proudy při zapínání transformátorů.

Střednonapěťové vypínače obvykle fungují s třemi poli současně, což kontrastuje s nezávislou operací v aplikacích vysokého napětí. To vyžadovalo významný pokrok v technologii CSD, aby se efektivně spravovaly proudy při zapínání transformátorů pomocí standardních vypínačů s současnou operací polí. Dnes se tato inovace široce používá nejen v instalacích obnovitelných zdrojů, jako jsou větrné farma a fotovoltaické solární elektrárny, ale také v průmyslových zařízeních a dopravních sítích, kde je kontrola proudů klíčová pro spolehlivé zapínání transformátorů středního i vysokého napětí.

Proud při zapínání transformátorů středního napětí

Velikost proudu při zapínání transformátoru je významně ovlivněna reziduálním tokem v jádru transformátoru; vyšší úrovele reziduálního toku mohou vést k větším proudům při náhodném zapínání. Efektivní strategie mitigace jsou nezbytné k vyhnutí se operačním poruchám a zajištění stability sítě.

Implementací pokročilých řízených přepínacích technik lze minimalizovat nebo eliminovat tyto proudy. Tyto metody nejen zlepšují spolehlivost systému, ale také prodlužují životnost zařízení, snižují náklady na údržbu a zvyšují celkovou efektivitu distribučních sítí středního napětí. Přijetí těchto technologií znamená klíčový pokrok v adaptaci na změňující se požadavky moderních distribučních sítí.

Vztah mezi reziduálním totem a proudem při zapínání transformátoru

Pole data shromážděná během komise řízených přepínacích zařízení (CSD) na vypínačích a vypínačových skříních s současnou operací polí potvrdila vztah mezi reziduálním totem a proudem při zapínání transformátoru. Použití CSD obvykle vedlo ke snížení proudu při zapínání v poměru 3:1 ve srovnání s náhodným zapínáním, což významně snižuje potenciální poruchy.

Metody mitigace proudu při zapínání s vypínačem s současnou operací polí

Následující vysvětlení ilustruje koncept řízeného přepnutí pro mitigaci proudu při zapínání aplikovaného na transformátory:

Když je fáze R demagnetizovaného transformátoru zapnuta na nulovém přechodu napětí (jak je znázorněno nalevo na obrázku 1), donutí to jádro transformátoru do hlubokého nasycení, přičemž do jádra je přidán dodatečný 2 per-unit (p.u.) tok. Toto stav může vést k významným proudům při zapínání kvůli nasycení jádra.

Pokud je transformátor zapnut na vrcholu kladného napětí, tento počáteční kladný čtvrtletý cyklus do jádra přidá pouze 1 p.u. toku. Když pak napětí přechází do svého záporného poločasu, začne snižovat tok v jádře. Protože transformátor pod těmito podmínkami nedosahuje svého limitu nasycení, je nasycení jádra zabráněno, což předejde vzniku proudu při zapínání.

Tento scénář odpovídá ustálenému zapínání transformátoru, kdy tok v jádře následuje napětí s prodlevou 90 stupňů. Přesným časováním okamžiku zapínání k optimálním bodům v kmitočtu napětí lze minimalizovat riziko proudu při zapínání, což zajišťuje hladší a stabilnější provoz transformátoru.

Zkráceně, řízené přepínací techniky využívají přesné časování k efektivní mitigaci proudu při zapínání. Tím, že se zabrání nasycení jádra prostřednictvím strategických okamžiků zapínání v kmitočtu napětí, tyto metody zajišťují spolehlivý provoz transformátoru, zvyšují stabilitu sítě a snižují operační poruchy. Tento přístup představuje klíčový pokrok v technologii střednonapěťových vypínačových skříní, nabízejí významné výhody jak pro nové instalace, tak pro modernizaci stávajících systémů.

Situação se stává složitější při použití třífázového vypínače s současnou operací polí. Vlastně, volba okamžiku zapínání, který minimalizuje proud při zapínání na jedné fázi, může být škodlivá pro druhé dvě fáze. To je znázorněno na obrázku 2, kde mitigace proudu při zapínání fáze R demagnetizovaného transformátoru (vlevo) negativně ovlivňuje fáze Y a B (vpravo).

Optimalizací okamžiku zapínání pro jednu fázi k snížení jejího proudu při zapínání mohou podmínky pro druhé dvě fáze nechtěně vést k zvýšeným proudům, což zdůrazňuje potřebu vyváženého přístupu v vícefázových systémech.

Jak bylo vysvětleno dříve, vzor reziduálního toku v transformátoru je výsledkem jeho předchozího odpojení.

Když je transformátor znovu zapnut, dynamický tok indukovaný aplikovaným napětím se přidává nebo odečítá od reziduálního toku v závislosti na polaritě aplikovaného napětí. Podle principů řízeného přepnutí nastává optimální okamžik zapínání fáze transformátoru, když indukovaný potenciální tok odpovídá existujícímu reziduálnímu toku (Obrázek 3, vlevo). Například, při kladném reziduálním toku, aplikace záporného napětí nejprve sníží tok v jádře na nulu na vrcholu záporného napětí a poté okamžitě dosáhne ustáleného provozu transformátoru bez nasycení jádra.

Naopak (Obrázek 3, vpravo), zapnutí fáze na kladném nulovém přechodu napětí přidá 2 p.u. kladného toku do jádra navíc k existujícímu 0,5 p.u. reziduálnímu toku. To přinutí jádro transformátoru do hlubokého nasycení, což vede k nadměrnému proudu při zapínání. Proto přítomnost reziduálního toku zvyšuje maximální proud při zapínání, pokud je zapínání transformátoru nekontrolované.

Přesný výběr okamžiku zapínání, aby odpovídal indukovaný tok reziduálnímu toku, může efektivně zabránit nasycení jádra, což snižuje proudy při zapínání a zajišťuje hladký provoz transformátoru. Tato strategie nejen zvyšuje spolehlivost systému, ale také prodlužuje životnost zařízení a snižuje náklady na údržbu. Správné časování zapínání je zejména klíčové v vícefázových systémech k vyvážení výkonu mezi fázemi, což zajišťuje stabilitu a efektivitu sítě.

Tento přístup zdůrazňuje důležitost zohlednění vlivu reziduálního toku při návrhu a implementaci řízených přepínacích technologií pro transformátory, s cílem dosáhnout efektivnějších a spolehlivějších síťových systémů.

Když je v jádře transformátoru reziduální tok, situace s vypínačem s současnou operací polí se stává ještě složitější. Optimální okamžik zapínání musí brát v úvahu současnou operaci všech tří fází podle velikosti a polaritu reziduálního toku. Pro každý možný vzor reziduálního toku však existuje vždy optimální okamžik zapínání, který vede k minimálnímu nasycení transformátoru (Obrázek 4).

V následujícím příkladu je vzor reziduálního toku 0, -0,5 a +0,5 p.u. v fázích R, Y a B, v tomto pořadí. Zapnutí transformátoru v 90° (vrchol napětí fáze R) vede k minimálnímu nasycení fází. Avšak uzavření modré fáze (pokud jde o fázi B) na kladném nulovém přechodu napětí (240°) by způsobilo nejhorší proud při zapínání, který by byl 6,5krát vyšší než optimální okamžik zapínání vypočtený řízeným přepínacím zařízením (CSD).

To zdůrazňuje důležitost přesného určení optimálního okamžiku zapínání pro každou specifickou podmínku reziduálního toku, aby se minimalizovalo nasycení transformátoru a proudy při zapínání. Správné časování zajišťuje hladší provoz a zvyšuje spolehlivost a efektivitu elektrického systému.

Když není zapínání transformátoru kontrolováno, nejhorší možný proud při zapínání vždy vystupuje na fázi s nejvyšším reziduálním tokem. Řízené přepínací zařízení (CSD) minimalizuje proud při zapínání výpočtem optimálního okamžiku uzavření polí podle vzoru reziduálního toku. V důsledku toho, při specifických podmínkách vysokého reziduálního toku, lze proud při zapínání úplně eliminovat.

Obrázek 5 znázorňuje teoretický relativní proud při zapínání jako funkci nejvyššího z tří reziduálních toků změřených v transformátoru (s kolenním bodem nasycení 1,2 p.u.). Maximální proud při zapínání je normalizován k maximálnímu zapínacímu proudu demagnetizovaného jádra. Když je reziduální tok v jádře vysoký (na vodorovné ose), CSD eliminuje proud při zapínání tím, že zabrání transformátoru vstoupit do nasycení (spodní oblast modré čáry). Naopak, zapnutí transformátoru v náhodném okamžiku může transformátor dostat do plného nasycení (červená čára), což vede k nadměrnému proudu při zapínání a následným propadům napětí v síti. Tento diagram tedy ukazuje efektivitu mitigace proudu při zapínání poskytovanou CSD ve srovnání s náhodným nebo nekontrolovaným zapínáním.